WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 


«ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ СРЕДЫ СО2-ЛАЗЕРА С АКСИАЛЬНОЙ ПРОКАЧКОЙ ГАЗА ...»

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ СРЕДЫ СО2-ЛАЗЕРА

С АКСИАЛЬНОЙ ПРОКАЧКОЙ ГАЗА

Исполнители работ:

М.Г. Галушкин, В.С. Голубев, Р.В. Гришаев, С.А. Буяров В.Д. Дубров, Н.Г. Дубровин, Ю.Н. Завалов, В.Е. Завалова, В.Я. Панченко Исследовано влияние турбулентного потока газа, тлеющего разряда и лазерной генерации на мелкомасштабные оптические неоднородности активной среды непрерывных электроразрядных СО2-лазеров с аксиальной прокачкой газа (АПГ).

Установлено экспериментально, что спектр относительных среднеквадратичных пульсаций скорости в поперечном прокачке газа направлении не зависит от уровня энерговклада в разряд, по крайне мере, в диапазоне до 12 Вт/cм3.

Для определения спектра локальных пульсаций плотности газа был использован люминесцентный метод, показаны особенности его применения, как в случае разряда постоянного тока, так и в случае высокочастотной накачки. Установлено, что среднеквадратичная амплитуда пульсаций плотности газа возрастает с ростом уровня энерговклада.

Для самостоятельного разряда ионизационно - перегревная неустойчивость плазмы положительного столба газового разряда является основной причиной роста турбулентных пульсаций плотности газа, в отличие от высокочастотной накачки, для которой характерно развитие термоконвективной турбулентности. Приведены методики оценки порога удельной мощности энерговклада, при превышении которого рост пульсаций плотности газа влияет на качество выходного излучения СО2-лазера с быстрой аксиальной прокачкой газа.

Опубликовано свыше 15 статей и докладов в журналах и сборниках: сборники трудов и монографии ИПЛИТ РАН;

«Известия РАН», «Квантовая электроника», «Теплофизика высоких температур», «Автометрия», «Приборы и техника эксперимента»; «Proceedings of SPIE»

Основные публикации Galushkin M.G., Golubev V.S., Zavalov Yu.N. et. al. Enhancement of small-scale optical nonuniformities in active medium of highpower cw FAF CO2 laser (1998), In: Optical resonators-Science and Engineering, Ed.:R.Kossowsky and M.Jelinek, Kluwer Academic Publishers Netherlands, Dordrecht, 45, 287 Современные лазерно-информационные и лазерные технологии: //Сборник трудов ИПЛИТ РАН. Под ред. В.Я.Панченко и В.С.Голубева. —М.: Интерконтакт Наука. 2005. —304 с. —ISBN 5 902063-12-4 Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред. В.Я. Панченко. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 704 с. — ISBN 978-5-9221-1023-5.

Содержание

1. Введение

2. Статистические неоднородности турбулентной среды СО2-лазера с АПГ

3. Экспериментальные исследования активной среды лазера люминесцентным методом

4. Выводы

1. Введение Известно, что для достижения высокой выходной мощности в газовых лазерах используют конвективный отвод тепла из объема рабочей камеры [11]. В последнее время разработаны несколько типов СО2-лазеров мощностью от 25 до 50 кВт [2, 3].

Назначение таких лазеров – утилизация ядерных отходов [4] на расстояниях от 20-50 м или для проведения аварийноспасательных работ в зонах огневого контакта [5] с транспортировкой луча до сотен метров. В этом случае особенно важным параметром лазера становится пространственная яркость его излучения, а, следовательно, оптическое качество активной среды лазера [6].





Среди ряда важных факторов, влияющих на качество лазерного пучка, исследуются такие как неоднородность накачки активной среды [7], стационарные оптические неоднородности лазерной смеси [8], или вибрации оптического резонатора [9-10]. К этим факторам добавляются и мелкомасштабные неоднородности коэффициента рефракции активной среды, возникающие из-за турбулентности газового потока. Эти неоднородности очень трудно устранить вследствие относительно малого пространственного масштаба и временной нестационарности.

При этом проблема устранения турбулентных пульсаций рефракции усложняется с ростом мощности лазера. Для того чтобы поднять мощность лазера, необходимо увеличить давление, расход газа и апертуру резонатора. Следствием роста этих параметров становится увеличение числа Рейнольдса, а, значит, и возрастает степень турбулизации потока, приводящее к ухудшению качества излучения [10, 11]. Другой способ повышения выходной мощности – увеличение длины активной среды, что, в свою очередь, приводит к увеличению длины турбулентной оптической трассы.

Еще один путь – увеличение удельного энерговклада, ведет к тому же результату: увеличиваются как стационарные неоднородности газовой среды [12], так и турбулентные [13, 14]. В данной статье на базе экспериментальных результатов и оценочных моделей рассматриваются основные особенности турбулентного потока активной среды мощных СО2лазеров и исследуется явление усиления турбулентных пульсаций плотности газа и рефракции под воздействием неравновесности среды.

2. Статистические неоднородности турбулентной среды СО2-лазера с АПГ Соотношения между флуктуирующими величинами при однородной адиабатической турбулентности

–  –  –

v = 180 m / s, l = 22 cm, T (0) = 500 K, a0 = 1 м-1, a = a0 (1 + I / I s ), k » 8, µVT » 3 соотношение (1.29) выполняется для J=0 µ k при W*»15 Вт/cм3, а при интенсивности J=3Js, порог тепловой неустойчивости понижается и становится равным W *»12 Вт/cм3.

Из (1.29) следует, что при снижении скорости прокачки до определенного значения величина W* становится отрицательной, то есть разряд становится неустойчивым. Когда W W *0, то разряд конвективно - неустойчив, и вдоль по потоку внутри газоразрядной трубки лазера будет нарастать локальная неоднородность плотности газа: dN(l)=dN0exp(GtP), где dN0 – неоднородность плотности газа на входе в разрядную область, G – характерная частота тепловой неустойчивости. В режиме неустойчивости разряда (WW*) появляется дополнительный временной масштаб tP – время развития неустойчивости.

Поэтому усложняется явление турбулентности в потоке такой неустойчивой среды [27].

Особенности различных типов самостоятельного разряда учтены в (1.29) через параметр µ. В случае разряда постоянного k тока значение » I * / kT, где I* – потенциал ионизации, лежит в диапазоне от 6 до 8. В случае ВЧ разряда значение µ k k зависит от частоты накачки [28].

В представляющем практический интерес случае энергетический спектр электронов за период изменения напряжения накачки успевает измениться, но плотность электронов изменяется слабо [7]. Кроме того, как показано в [29] плотность электронов в объеме газа в случае сильноточного емкостного ВЧ разряде определяется нелокальными процессами в пристеночной области пробитых приэлектродных слоев. Таким образом, временная динамика ионизации ВЧ разряда отличается от случая накачки при постоянном токе: ионизация происходит лишь в моменты достижения электрическим полем максимального значения за время, значительно меньшее времени развития ионизационно-перегревной неустойчивости, что приводит к снижению µ.

k Приведем оценки для случая высокочастотной накачки. Для параметров установки, указанной в работе [2], смесь CO2:N2:He=1:4:22, P=120 hPa, r=47 г/м3, v0 = 220 m / s, l = 60 cm, T (0) = 550 K, Dt=240 cм2/с, Jt = 240 cм2/с, R=2.3 cм, DT / Dl = 1 K / cm при T0=300 K, h=0.8, µ » 1, µVT » 3, t2= 10-5 сек и J=0, соотношение (1.29) выполняется при k k W* » 28 Вт/cм. На рис. 5 а, б показаны зависимости значений порогового энерговклада от скорости сноса для двух разных типов лазерных установок, параметры которых приведены выше и взяты из работ [14] и [2]. Эти зависимости рассчитаны по формулам (1.31)–(1.32), при их превышении существенно усиливаются пульсации плотности газа, в одном случае по причине изобарического усиления флуктуаций температуры при внутреннем тепловыделении (сплошная линия), в другом случае, по причине развития ионизационно-перегревной неустойчивости (пунктирная линия). Штрихпунктирной показана на этих рисунках линия неизменного удельного энерговклада в номинальном режиме работы.

–  –  –

Эксперименты проводились на лазерной установке TLF1500 фирмы TRUMPF Gmbx (Германия). Лазер имеет номинальную мощность 1,5 кВт при энерговкладе 8,8 кВт в емкостном ВЧ разряде частотой 13,56 МГц.

В эксперименте регистрировались флуктуации локального люминесцентного свечения газа в разряде. С этой целью напротив одной из 8 кварцевых газоразрядных трубок (ГРТ) была установлена линза с фокусным расстоянием F=200 мм, так что предметная плоскость линзы проходила через центр ГРТ, а плоскости изображения помещалась фотодиодная сборка АОД111А. Регистрация относительных флуктуаций локального люминесцентного свечения газа в разряде позволяет определить достаточно малые пульсации плотности газа, а, значит, и локальные пульсации рефракции [31].

При этом в случае сильноточной формы емкостного поперечного ВЧ разряда можно пренебречь в рассматриваемом низкочастотном, менее 30 кГц, диапазоне частот относительными пульсациями плотности электронов [29]:

de dr dn » » (2.6) e r n -1 Методика проведения измерений и алгоритмы обработки данных изложены в работе [32]. На основе измерений оцифрованных «осциллограмм» фототока диода рассчитывался временной спектр шумов E(f) локального свечения разряда. В каждой серии измерений получено M=1000 реализаций по 1014 отсчетов. Координаты расположения локальных областей, в которых проводились измерения, приведены в табл. 1. Из полученных данных, представленных на рис. 7-8, следует, что инерционный диапазон турбулентных пульсаций расположен в области свыше 2,4 кГц. Измерения показали, что в инерционном диапазоне спектр турбулентных пульсаций плотности газа в потоке практически не зависит ни от точки измерений в ГРТ, ни от уровня энерговклада в разряд, т.о. указывают, что газовый поток приобрел турбулентные черты до входа в ГРТ.

Исходя из конструкции лазера, мы измерили фактически параметры турбулентности течения на выходе турбины. Отдельные участки спектра квазирезонансного характера могут быть объяснены акустическим резонансом в тракте или регуляризацией течения на периодической структуре трубок теплообменника, расположенного вдоль по газовому тракту между турбиной и ГРТ.

Это свойство может быть использовано для измерения параметров внешнего скоростного потока описанным здесь газоразрядным методом анемометрии. Разброс амплитуды спектральных составляющих шумового сигнала сужался с ростом числа реализаций как ~ 1 M.

В области частот свыше 15 кГц можно наблюдать отклонение спектра турбулентных пульсаций от закона “-5/3” КолмогороваОбухова именно под воздействием энерговклада. Воздействие энерговклада, как следует из рис. 7-8, невелико на входе в ГРТ и максимально проявляет себя ближе к выходу ГРТ, приводя к существенному отклонению спектра пульсаций от колмогоровского распределения.

~k-5/3 ~k-5 Рис. 7-8. Спектр пульсаций на входе в ГРТ (слева) и в середине ГРТ (справа). Удельный энерговклад: 1. 21 Вт/cм3, 2.

24 Вт/cм3, 3. 28 Вт/cм3

–  –  –

Исследовано влияние газового разряда, турбулентности газового потока и лазерного излучения на оптические неоднородности активной среды непрерывных электроразрядных СО2-лазеров с аксиальной прокачкой газа. Показано существенное влияние на выходные параметры как амбиполярной, обусловленной наличием электроотрицательных ионов, так и турбулентной диффузии. Для определения коэффициента поперечной диффузии был использован метод внутрирезонаторного четырехволнового смешения. Установлено экспериментально, что спектр относительных среднеквадратичных пульсаций скорости в поперечном прокачке газа направлении не зависит от уровня энерговклада в разряд в диапазоне до 12 Вт/cм3. Для определения спектра локальных пульсаций плотности газа был использован люминесцентный метод, показаны особенности его применения, как в случае разряда постоянного тока, так и в случае высокочастотной накачки.

Установлено, что среднеквадратичная амплитуда пульсаций плотности газа возрастает с ростом уровня энерговклада.

Приведена методика оценки порога удельной мощности энерговклада, при превышении которого рост пульсаций плотности газа влияет на качество выходного излучения СО2-лазера с АПГ.

Как показали исследования, при конвективном отводе тепла из зоны резонатора в газоразрядных лазерах с накачкой в самостоятельном электрическом разряде постоянного тока при превышении энерговкладом порогового значения возрастают неоднородности температуры вследствие светоиндуцированной перегревно-ионизационной неустойчивости, и это ведет к усилению первоначально неоднородного распределения плотности газа. В случае накачки ВЧ разрядом ионизационноперегревная неустойчивость не развивается в силу того, что имеет место механизм диффузионного вноса плазмы, генерируемой в приэлектродных слоях, в объем активной среды. В этом случае отсутствует ионизация в объеме плазмы, что и предотвращает развитие ионизационно-перегревной неустойчивости.

Теоретическая оценка изобарических флуктуаций температуры и, соответственно, плотности в пространственнонеоднородном по температуре турбулентном потоке активной среды газоразрядного лазера показывает, что они существенно сильнее, чем адиабатические пульсации температуры, определяемые моделью однородной турбулентности. Температурная нелинейность тепловыделения, связанная с зависимостью удельной мощности тепловыделения от плотности, приводит к увеличению изобарических флуктуаций температуры. Показано экспериментально проявление этого эффекта в CO2-лазере с высокочастотной накачкой.

Эти факторы необходимо учитывать при конструировании мощных быстропроточных СО2-лазеров и в задачах распространения лазерных пучков в турбулентных средах с внутренним тепловыделением.

Литература

1. Велихов Е.П., Голубев В.С., Пашкин В.С. Тлеющий разряд в потоке газа // УФН. 1982. Т. 137. С. 117.

2. Habich U., Loosen P., Hertzler C., Wollermann-Windgasse R. Industrial 30-kW CO2 laser with fast axial gas flow and rf excitation // Proc. SPIE., Gas and Chemical Lasers, Ed: R. C. Sze, Vol. 2702., pp.374-384, 1996.

3. Krasjukov A. G., Kosyrev F.K., Naumov V.G. et al. Development of mobile laser technological complexes // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4165. P. 289-296.

4. Krasjukov A. G., Naumov V.G., Shashkin L.V. et al. Investigation of physical processes in atmospheric pressure e-beam CO2 laser // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4165. P.

278-288.

5. Nanry K., Sunago K., Takedo Sh., Fujioka T. COIL for disasters and reverse industries // Proc. SPIE. “Laser Optics '95: Gas Lasers”, Ed:I. M. Belousova, pp.170Vol. 2773. P. 170.

6. Башкин А.С., Коротков П.И. Максимов Ю.П. и др. Исследование оптического качества активной среды мощных непрерывных химических HF-лазеров методами интерферометрии бокового сдвига // Квантовая электроника 1997. Т. 24, № 9. С. 786-790.

7. Яценко Н.А. Интегральные характеристики электродных слоев в емкостном разряде среднего давления // ТВТ. 1982. Т.20, N 6. С. 1044.

8. Moissl M., Paul R., Breining K. et.al. // Proc. SPIE. 1991. Vol. 1397. P. 395.

9. Pfeiffer W., Bea M., Herdtle A. et.al. Minimized phase-distortion in industrial high-power CO2 lasers // Proc. SPIE. 1995. Vol. 2502. P. 583.

10. Krasjukov A. G., Naumov V.G., Shaсhkin L.V. et.al. Laser technology in atomic industry // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4165. P. 70.

11. Niehoff J., Jarosch U.K., Loosen P. Optimization of power incoupling and statistical phase distortions by flow-shaping of fast axial flow CO2 lasers // Proc. SPIE.

1995. Gas Flow and Chemical Lasers: Tenth International Symposium / Eds.:Willy L. Bohn, Helmut Huegel;, Vol. 2502., P. 536-541.

12. Pfeiffer W., Schmitz C., Giesen A. et al. // Proc. SPIE. 1997. Vol. 3092. P. 227.

13. Гембаржевский Г.В., Генералов Н.А., Косынкин В.Д. // Письма в ЖТФ. 1987. т.13. С. 427.

14. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Завалов Ю.Н. и др. Структура турбулентности активной среды быстропроточного CO2-лазера // Квантовая электроника.

2003. стр. 671.

15. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // ДАН СССР. 1941. Т. 30. С. 299Akira Ishimaru Wave Propagation and Scattering in Random Media. Vol. II: Multiply Scattering, Turbulence, Rough Surfaces and Remote Sensing. New York:

Academic Press, 1978.

17. Laser Beam Propagation in the Atmosphere / Ed.: J.W.Strohbehn, Springer-Verlag. 1978.

18. Веденов, А.А., Губарев А.В., Камчатов А.М. и др. // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, № 4. С. 715-721.

19. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теоретическая физика (в 10 т.). Т. VI. Гидродинамика, M.: Наука, 1986.

20. Kyel B., Gruber S. Experimental turbulence spectra in neutral and ion components of a weakly ionized gas, The Physics of Fluids. 1973. Vol. 16. P. 1842-1847.

21. Анисимов С.В., Мареев Е.А., Шихова Н.М., Дмитриев Э.М. Механизмы формирования спектра пульсаций электрического поля приземной атмосферы // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2001. Т. 44, №7. С. 562-576.

22. Фрик П.Г. Турбулентность: модели и подходы. Курс лекций, часть II., Пермь: Перм. гос. технич. ун-т, 1999. (ISBN 5-88151-193-X).

23. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Сжатие положительного столба тлеющего разряда // ЖТФ. 1970. Т. 40. С. 1682.

24. Галушкин М.Г., Голубев В.С., Забелин А.М., Панченко В.Я. Сильная нелинейность в усиливающей среде и особенности ее проявления в технологических СО2-лазерах // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1992. Т. 56. С. 199.

25. Galushkin M.G., Golubev V.S., Zavalov Yu.N. et. al. Enhancement of small-scale optical nonuniformities in active medium of high-power cw FAF CO2 laser (1998), In: Optical resonators-Science and Engineering, Ed.:R.Kossowsky and M.Jelinek, Kluwer Academic Publishers Netherlands, Dordrecht, 45, 287.

26. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980. 512 с.

27. Веденов А.А, Велихов Е.П., Сагдеев Р.З. Квазилинейная теория колебаний плазмы // Ядерн. синтез. 1962. Прилож. 2, С. 465–475.

28. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения. М: Наука, 1995.

29. Starostin S. A., Boller K. J., Peters P. J. M. et al. // Plasma Physics Reports. 2002. v.28. P. 63.

30. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Дембовецкий В.В., и др. Влияние радиальной неоднородности активной среды на мощность излучения непрерывных CO2лазеров с быстрой аксиальной прокачкой // Квантовая электроника. 1996. Т. 23, N 8. С. 695-698.

31. Плазма в лазерах / Под ред. Бекефи Дж. М.: Энергоиздат, 1982.

32. Галушкин М.Г., Голубев В.С., Завалов Ю.Н. и др. Исследования турбулентных характеристик термодинамического неравновесного потока молекулярного




Похожие работы:

«0910434 Редакция от 2013-03-07 Раздел 50 Настраиваемый контроллер Centurion™ — серия C4 Настраиваемый контроллер серии C4 Centurion — это система управления и контроля. Изначально он предназначен для компрессоров с приводом от двигателя/электродвигателя, но Cent...»

«1. ЦЕЛЕВОЙ РАЗДЕЛ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Образовательная программа учитывает специфику начальной школы как особого этапа в жизни ребенка, связанного: с изменением при поступлении в школу ведущей деятельности ребенка – с переходом к учебной деятельности (при сохранении значимости игровой), имеющей общественный характер и...»

«Евгений Голубовский Книжный развал Издано в Одессе Владимир Селиванов Анна Ахматова в графике и экслибрисе Одесса, 2014 Известный коллекционер малой графики и экслибриса Владимир Ильич Селиванов выпустил своеобразную антологию экслибрисов, посвященных 125-летию со дня рождения Анны Ахматовой. Кто только не пи...»

«Чайник электрический RК-G135 АНТИ АР Г Я М В ЕС ЯЦЕ РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ УВАЖАЕМЫЙ ПОКУПАТЕЛЬ! Благодарим за то, что вы отдали предпочтение бытовой технике REDMOND. REDMOND — это качество, надежность и неизменно внимательное отношение к потребностям клиентов. Надеемся, что вам понравится...»

«S/2016/931 Организация Объединенных Наций Совет Безопасности Distr.: General 4 November 2016 Russian Original: English Доклад Генерального секретаря об осуществлении резолюции 1701 (2006) Совета Безопасности Отчетный период с 25 июня по 4 ноября 2016 года I. Введение 1. В настоящем докладе содержится всеобъемлющая оце...»

«СОДЕРЖАНИЕ стр.1. ПАСПОРТ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ 7 3. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ 8 4 УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ 12 5. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ 13 ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ (ВИДА ПРОФЕССИ...»

«Ostroukh, A. N. Osipov, N. S. Davydova [etc.]. Program model of electromyographic signal muscles to specify composite compound. Medelectronics. Means of medical electronics and new medical technologies. – Mn....»

«Приложение 4 к ОТЧЕТУ №2016/3538-50/1 об оценке рыночной стоимости, 246 080 ипотечных сертификатов участия (ИСУ) ГК-3 под управлением ООО "УК Капиталъ ПИФ", рег. №0034 по состоянию на 01 ноября 2016 г. Расчет рыночной стоимости объектов залога г. Москва 2017 г. СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫЕ ФАКТЫ И ВЫВОДЫ 1. ДОПУЩЕНИЯ И ОГРАНИЧИТЕЛЬН...»








 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.