潘建宇 1,2,3曹银花 1,2,3闫岸如 1,2,3关娇阳 1,2,3[ ... ]王智勇 1,2,3
1 北京工业大学 北京市激光应用技术工程技术研究中心，北京 100124
2 北京工业大学 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室，北京 100124
3 北京工业大学 材料与制造学部先进半导体光电技术研究所，北京 100124
针对大功率半导体激光器散热系统展开设计研究。首先，对水冷散热系统的流体通道中的冷却液进行了流体分析，结果表明在传统矩形流体通道结构中，冷却液在进液口处和弯度较小处容易产生湍流空洞。湍流空洞不仅会产生空泡腐蚀效应，还会导致靠近热源的上层冷却液填充不充分，降低系统的散热效率；其次，在传统流体通道结构的基础上，提出了一种非典型宏通道结构的优化模型。采用有限元分析软件Fluent分别对散热模型的分布和激光器模块器件的分布进行了数值模拟，流场结果表明优化模型中冷却液流动时没有湍流空洞产生，散热系统可靠性更高，冷却液在流体通道的上层填充效果更好，同时解决了传统模型中流体在局部流道中流速缓慢的问题，使散热系统具备更良好的散热性能。接着又通过温度场仿真结果得出，优化模型搭建的散热系统工作时激光器最高温度可降低2 ℃，且热源1上温度更均匀，热源3上温度降低1.25 ℃；最后，在激光器满功率输出情况下进行的散热实验对比，获得的实验数据与仿真结果基本一致。
散热系统 半导体激光器 Fluent 流场分析 温度场分析 cooling system semiconductor laser Fluent flow field analysis temperature field analysis 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210037
1 遵义师范学院 工学院, 贵州 遵义 563006
2 国防科技大学 智能科学学院, 长沙 410073
3 中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所, 四川 绵阳 621900
4 中国工程物理研究院 超精密加工技术重点实验室, 成都 610200
随着特种超精密加工技术的发展, 复杂流体被越来越多地用于超精密加工工艺中。超精密加工流场分析具有几何特征复杂、流体本构特性多样、流体边界为自有边界等特点, 传统流体数值分析方法难以实现可靠分析。从流体的一般特性出发, 将D. G. Christopherson提出的非负二阶偏微分系统的超松弛迭代方法用于超精密加工流场分析, 建立了适应性与可靠性兼顾的流场分析方法。以磁流变抛光为例, 开展了抛光区域压力场数值计算, 结果表明所得压力分布形态正确, 且分布从x轴正半轴延伸到负半轴, 与郑立功等人的实验测定结果一致。另外, 基于Kistler力传感器对磁流变抛光过程的法向压力在0.1~0.3 mm浸深段进行了在位测量, 发现计算与实验结果偏差均小于20%。表明了该方法的有效性与准确性。
超精密加工 流场分析 Christopherson迭代 磁流变抛光 超松弛迭代方法 ultra-precision machining fluid field analysis Christopherson iteration magnetorheological finishing super-relaxation iterative method 强激光与粒子束
2019, 31(6): 062002
西安工业大学 陕西省光学先进制造工程技术研究中心, 西安 710021
提出一种新的柔性抛光技术——液浮法抛光, 通过软件仿真及实验对其进行探索性研究。针对抛光液为具有剪切增稠效应的流体, 利用软件对该类液体的液浮法抛光技术模型进行流场分析, 得到液浮抛光模型的流场压强、剪切力分布情况。仿真结果表明, 液浮抛光技术对被加工件表面具有一定的剪切效果, 可以实现对工件材料的去除。搭建实验平台, 设计一组实验, 其中配置以粒径12 nm的二氧化硅为溶质, 分子量200的聚乙二醇为溶剂的非牛顿幂律流体作为抛光液的剪切增稠基液(其中二氧化硅质量分数为9 %), 加入质量分数为18 %的氧化铈作为磨料的抛光液, 对于初始粗糙度为23.97 nm的K9玻璃经过90 min的抛光, 其粗糙度可达到1.023 nm, 实验结果表明, 该技术可用于光学元件的抛光加工。
光学元件加工 液浮抛光技术 剪切增稠 fluent流场分析 optical component processing liquid float polishing technology shear thickening fluent flow field analysis
中国科学院 西安光学精密机械研究所, 西安 710119
同轴吹气结构辅助吹气对飞秒激光深孔加工效率有着重要影响, 但在加工过程中存在排渣效果较差等情况。为了提升排渣能力, 采用ANSYS CFD软件分别仿真了同轴吹气、旁轴吹气以及双路吹气的流场分布, 并设计双路辅助吹气实验平台, 进行了理论分析和实验验证, 取得了微孔内部及周围的动态流场和流速矢量分布, 以及同轴、旁轴和双路吹气结构辅助下微孔加工后孔口形貌。结果表明, 双路辅助吹气不但可以提升加工效率, 同时也有助于工件表面洁净度的提升, 对飞秒激光高效深孔加工的实现有着重要意义。
光学制造 加工效率 辅助吹气 流场分析 optical fabrication machining efficiency auxiliary blowing flow field analysis
中国计量大学光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018
通过建立原子层沉积(ALD)脉冲气体流场理论模型,分析了沉积过程中前驱体浓度的变化趋势,得到了原子层沉积腔中的优化沉积区域。在此基础上,开展了半球基底上Al2O3和TiO2薄膜的均匀性实验。实验结果表明, 最佳优化区域内Al2O3和TiO2薄膜的最大非均匀性分别为1.81%和1.74%,相比于非优化区域分别减小了47.1%和50.8%。当入射激光与半球中心轴的夹角为θ=0°时,制备的减反膜反射率在550 nm处达到最小值0.04%,θ=60°时反射率最大,为0.5%,而在其余位置反射率曲线均存在不同程度的偏移,当θ=60°时,偏移最大,为6 nm。
薄膜 原子层沉积 流场分析 均匀性 大曲率基底 激光与光电子学进展
2018, 55(3): 033101
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空成像与测量技术研究部，吉林 长春 130033
为了提高高马赫飞行下光学窗口的光学性能，对比分析了基于气动光学效应三种飞行器模型不同攻角的马赫数场、密度场、温度场和压力场的流场结构及对光学性能的影响。首先, 根据飞行器与来流的迎风面，建立了三种飞行器典型模型；继而, 给出了0°、5°和10°攻角飞行工况；然后,建立了基于Navier-Stokes方程和湍流模型的三种攻角流场分布；最后, 对比分析了宽平头体飞行器中三种攻角温度场作用下的光学系统传递函数。结果表明，马赫数场与密度场、温度场与压力场分别具有相似分布形式；相同飞行速度和攻角下，大迎风面的飞行器光学窗口周围温度与压力较小迎风面大；相同飞行器，较大攻角对应较大流场强度，攻角为0°、5°和10°时传递函数分别为0.188，0.097和0.028。此分析结果可为高马赫飞行下光学窗口优化提供一定的理论依据。
流场分析 高马赫 光学窗口 气动光学 flow field analysis high Mach optical window aero-optical
1 华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074
2 深圳信息职业技术学院 机械工程系, 深圳 518000
为了解决传统双放电盒横流5kW CO2 激光器双风道、风速小、体积庞大等问题, 研究开发了单放电盒横流5kW CO2 激光器, 采用气体动力学、放电区气体流场分析的方法, 在保证风机强度的前提下根据通风机原理设计了一款铝质轻型离心风机,风机的进口直径为382mm, 出口直径为451mm, 蜗壳宽度为160mm,并进行了实验验证。结果表明, 配置该风机的单放电盒的5kW CO2激光器提高了功率稳定性, 放电区气体平均流速从60.8m/s提高到75.5m/s, 缩小了弧光放电的面积, 改善了近场光斑的强度及均匀性, 采用铝制风机及单放电盒减小了激光器的整体重量和体积。这对CO2激光器向高功率、小体积、紧凑型发展具有重要意义。
激光器 横流CO2激光器 气体动力学 离心风机 流场分析 lasers transverse flow CO2 laser gas dynamics centrifugal blower fluid analysis
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对非加力状态下的无人机(UAV)，建立了其蒙皮、尾喷口及尾焰辐射的理论计算模型，利用有限元分析方法求解了不同方位角、不同观测仰角的红外辐射计算公式。利用Fluent 流场计算软件分析了尾焰的温度场、压力场及其中CO2 及H2O 组分的浓度场，并在尾焰红外辐射计算中利用分析数据的方法，这种计算较精确。采用工程中实际使用的中波红外和长波红外探测器的探测波段，利用LOWTRAN 分析了其在不同观测仰角下的波段透射率。对于某一特定型号的无人机，实验结果证明，相对于8～10 μm 长波蒙皮辐射而言，中波3.7～4.8 μm 的蒙皮辐射可以忽略不计。中波的尾喷口及尾焰辐射随观测角度的变化规律与长波类似，在相同观测角度下，中波的尾喷口及尾焰辐射都分别大于长波，其中尾喷口辐射在方位角大于90°的前提下，要大于相同角度下的尾焰辐射。在大气衰减影响下，蒙皮辐射和尾焰红外辐射的最大值均出现在观测仰角45°、方位角90°附近。
测量 无人机 红外辐射 流场分析 观测仰角 方位角 激光与光电子学进展
2014, 51(7): 071201
1 浙江师范大学 工学院，浙江 金华 321004
2 中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部，北京101149
3 长安汽车北京工程研究院技术部，北京 100086
对随钻测井系统中井下涡轮发电机的关键部件进行了研究。首先，建立了一种水力性能较高的涡轮模型；然后，基于计算流体力学(CFD)理论，采用Fluent软件对不同叶片参数的涡轮模型进行了紊流流场研究，并分析了流量、转速对涡轮流场的影响；最后，通过涡轮发电机地面单向水利实验验证了流量、转速、负载与涡轮发电机输出电压的关系。仿真结果表明：15叶片、叶片进口角30°以上、出口角45°以下、中弧线圆弧半径40 mm以内对应的涡轮模型水力性能较好，但水力效率过高也会降低涡轮的工作寿命，因此，在一定范围内增大流量、转速对提高涡轮水力效率具有积极影响。所建立的涡轮模型能够提高涡轮的输出功率并保证其工作寿命。
随钻测井 涡轮发电机 涡轮 流场分析 地面实验 Logging While Drilling (LWD) turbine generator turbine flow field analysis ground-based experiment
1 江苏大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏昆山富士康电子有限公司, 江苏 昆山 215316
为了得到具有优良的射流流场激光喷嘴, 设计了一种组合型超音速喷嘴, 建立了该喷嘴计算流体动力学(CFD)分析所需的控制方程。其中湍流模型采用标准k-ε方程, 计算网格采用三角形非结构网格。基于有限体积法对控制方程进行离散并采用耦合式求解器求解。利用SIMPLEC算法解决速度与压力耦合问题, 进而实现对喷嘴流场分析。分析结果表明超音速喷嘴最佳入口压力就是其设计压力(7×105 Pa), 此时其射流流场特性最好, 适合于高速、大厚度激光切割。将CFD分析结果与已有纹影图实验方法的结果进行对比, 发现二者具有较好的一致性, 证明了CFD方法的可行性。
激光技术 激光切割 超音速喷嘴 计算流体动力学 流场分析
