微通道冷卻鏡的換熱特性與熱變形研究.pdf

1、在高功率激光系統(tǒng)中，反射鏡是激光器及其傳輸鏈中的重要元件。然而當(dāng)輻照鏡面的激光功率密度較高時，反射鏡將不可避免地吸收部分激光能量并產(chǎn)生熱變形，從而影響激光的光束質(zhì)量。本論文以微通道冷卻鏡為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法針對鏡體結(jié)構(gòu)對鏡面熱變形的影響開展研究，以期通過優(yōu)化鏡體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減小和勻化鏡面熱變形的目的。本論文主要的研究內(nèi)容和取得的成果如下：
　　（1）分析了激光輻照條件下微通道冷卻鏡產(chǎn)生熱變形的熱流固耦合過程，建立了微通道冷卻

2、鏡產(chǎn)生熱變形的數(shù)值模型，包括描述鏡體內(nèi)部對流傳熱的流體力學(xué)模型和描述鏡體熱變形的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。采用有限體積法和有限元法分別對這個兩個模型進(jìn)行離散求解，并利用間接耦合法實(shí)現(xiàn)兩個模型之間的數(shù)據(jù)傳輸，獲得流體冷卻條件下的鏡面熱變形。其具體求解過程為：首先利用有限體積法離散求解微通道冷卻鏡的流體力學(xué)控制方程，然后將獲得的鏡體溫度場作為熱邊界條件加載到由熱彈性方程控制的有限元模型，以實(shí)現(xiàn)鏡體應(yīng)力應(yīng)變場的求解，并獲得鏡面的位移數(shù)據(jù)。
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3、）根據(jù)建立的數(shù)值模型，模擬分析了給定結(jié)構(gòu)和工況條件的微通道冷卻鏡的瞬態(tài)熱變形過程，比較了分別采用單向耦合和雙向耦合這兩種間接耦合方式得到的數(shù)值結(jié)果的差別，并通過實(shí)驗對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明：本論文的數(shù)值模擬結(jié)果具有很好的準(zhǔn)確性，與實(shí)驗結(jié)果誤差在10％以內(nèi)；在受到激光輻照的第1秒內(nèi)鏡面熱變形增大迅速，但在隨后的時間內(nèi)增長速度顯著減小而且鏡面熱變形有趨于平衡的趨勢；單向耦合法和雙向耦合法得到的數(shù)值結(jié)果近乎相同，因此占用更少的計算空間和

4、計算時間的單向耦合法更適合用于求解微通道冷卻鏡的熱變形問題。
　?。?）研究了矩形、梯形和圓形截面形狀的微通道及其幾何尺寸對微通道冷卻鏡的換熱特性和熱變形特性的影響，結(jié)果表明：鏡面溫升和熱變形隨水力直徑的減小而減??；當(dāng)水力直徑相同時，梯形截面的微通道冷卻鏡因具有最大的換熱面積而具有最小的鏡面熱變形；在非圓截面微通道內(nèi)，雖然側(cè)壁的平均換熱系數(shù)略小于靠近鏡面的頂面，但由于側(cè)壁的兩個面相對于頂面和底面具有更大的換熱面積，因而當(dāng)流道寬度和

5、間距一定時，增大微通道的深/寬比有利于增強(qiáng)微通道冷卻鏡的散熱能力并減小鏡面熱變形。
　?。?）研究了密封層上的入口/出口設(shè)置對微通道冷卻鏡的鏡面熱變形的影響，并采用澤尼克多項式對變形鏡面進(jìn)行面形擬合，分析了不同入口設(shè)置的微通道冷卻鏡的主要面形誤差及其對光束質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：入口和出口設(shè)置及其對應(yīng)的流道分布同時影響著鏡面溫度場和鏡面熱變形的大小和分布；不同入口設(shè)置的微通道冷卻鏡的主要面形誤差類型不同。說明通過優(yōu)化入口/出口設(shè)置不

6、僅可降低和勻化鏡面熱變形，而且還可以有針對性地減小和消除鏡面的某些誤差類型以提高光束質(zhì)量，但前提是入口設(shè)置必須同時兼顧換熱效率和鏡體剛度。
　　（5）提出了兩種新型結(jié)構(gòu)的微通道冷卻鏡：叉排板翅結(jié)構(gòu)微通道冷卻鏡和非等厚鏡面層微通道冷卻鏡。相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微通道冷卻鏡，叉排板翅結(jié)構(gòu)和非等厚鏡面層結(jié)構(gòu)的微通道冷卻鏡具有更小的鏡面熱變形和更加均勻的變形分布；當(dāng)入口/出口設(shè)置和流道分布相同時，非等厚鏡面層微通道冷卻鏡的鏡面熱變形和變形標(biāo)準(zhǔn)差

7、比等厚鏡面層結(jié)構(gòu)的分別小9.0%和9.2%。研究了入口流量對鏡面熱變形的影響，發(fā)現(xiàn)采用增大流量的方法來降低鏡面熱變形具有局限性。綜合考慮入口流量與壓降（液壓變形）和熱變形的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均雷諾數(shù)約為1000時可認(rèn)為通道型的微通道冷卻鏡達(dá)到最優(yōu)的水力工作條件，據(jù)此可以確定不同結(jié)構(gòu)的微通道冷卻鏡的最優(yōu)工作流量。
　?。?）根據(jù)尺度律，對高功率激光傳輸所需要的大口徑微通道冷卻鏡熱變形進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并對其鏡面熱變形進(jìn)行評估計算。采用小水力直