化學氧碘激光器光腔邊界層的被動控制方法實驗 *

徐大川，顧蘊松，任澤斌，陳志強，王海鋒

(1. 南京航空航天大學 航空學院， 江蘇 南京 210016； 2． 中國空氣動力研究與發展中心 設備設計及測試技術研究所， 四川 綿陽 621000)

世界上第一臺化學氧碘激光器(Chemical Oxygen-Iodine Laser，COIL)是美國空軍武器實驗室的McDermott首次演示成功的電子躍遷高能激光器[1]，它的基礎是光解碘激光器[2]。其基本理論是1972年英國科學家Thush首先提出的，他認為激發態氧和碘原子近共振傳能可產生激發態碘原子，可以實現激射過程。

COIL光腔的寬高比很大，來流壓力低，雷諾數比一般流動低幾個數量級，同時存在放熱反應，邊界層也比較厚[3]。光腔內產生的較厚邊界層對COIL的運行來說是很不利的：一方面，較厚的邊界層會減小有效氣流通道面積，使來流可能產生壅塞現象；另一方面，由于COIL來流為超聲速氣流，較厚的邊界層會產生復雜的激波-邊界層干擾，使流動產生嚴重的分離，從而破壞光腔內的流場結構，影響COIL的工作狀態。因此對COIL光腔的邊界層進行控制，減小其厚度，改善光腔內流場結構，是提高COIL運行效率的有效手段之一。

針對邊界層控制的問題，國內外學者開展了大量的研究。常見的邊界層控制技術有邊界層吹除控制、旋渦發生器控制、流向狹槽控制和微射流控制等[4-9]。Debiasi等[10]研究了某型S彎進氣道吹吸組合流動控制，發現組合流動控制有效控制了進氣道內部流動分離，提高了出口氣流流場品質。Peacock[11]利用低速葉柵風洞，針對兩種壓氣機葉型，利用邊界層吸氣的方式控制角區失速，發現在葉片吸力面大約50%軸向弦長處布置抽吸孔，可以有效抽吸大部分低能量流動，當抽吸氣量達到進氣量的0.6%時，能較好地阻止流動分離。Schulte等[12]對開槽放氣狀態下的平面激波-邊界層干擾問題進行了研究，探討了放氣位置和放氣角度的影響，并進行了風洞驗證實驗。蘇緯儀等[13]采用數值模擬的方法， 分別對壓縮拐角和激波入射平板兩種典型流動的邊界層分離進行了無源被動控制研究，結果表明新型無源被動控制方法可以消除20°壓縮拐角流動所產生的分離泡；對激波入射平板所誘導的邊界層分離，可以將分離區長度減小42%。劉雷等[14-15]在單獨對進氣道進行抽吸控制數值研究并優選出最佳方案之后，將最佳方案應用到進氣道加風扇級的全流道，進而開展全流道數值模擬，結果表明，吸氣后風扇級整體性能有較大幅度提升，堵塞流量及最大效率分別增加約0.63%和0.57%。孫潤鵬等[16]以二維平板/楔結構為基礎，研究了斜激波沖擊平板誘導邊界層分離現象，分析了吹除位置和總壓對分離區及流場的影響，研究結果表明加入吹除控制后，流場參數得到有效改善，吹除噴嘴靠近分離區，吹除效果更好。劉光遠等[17]研制了一種適用于2.4 m跨聲速風洞半模型試驗段側壁的梯形渦流發生器，并進行了實驗驗證，結果表明，加裝渦流發生器效果明顯，亞聲速范圍內能使邊界層厚度降低20%～30%，對主氣流均勻性影響可忽略。

利用抽吸的方式進行邊界層控制，其優點包括能有效阻止激波-邊界層相互作用，使下游邊界層更薄，減少流動畸變；其缺點是損失了部分質量流量。COIL光腔內的流動為低雷諾數、含化學反應的超聲速流動，其流動狀態與超聲速風洞、超聲速進氣道等內的流動相比有特殊性，表現在兩個方面：一是雷諾數較低，邊界層發展更加快速；二是光腔內進行著放熱化學反應，使氣流的靜壓升高、馬赫數降低。這兩種因素相互影響，使光腔內的流動很容易發生壅塞現象。因此控制光腔內的邊界層發展，是提高COIL工作性能的有效方法之一。

目前關于COIL流動的研究主要集中在光腔的幾何構型、流動與化學反應的耦合機理等方面，尚未發現關于COIL光腔邊界層控制研究的公開報道。針對COIL光腔內的流動特點，本文采用被動抽吸的方法對光腔邊界層控制開展了實驗研究。

1 COIL工作原理及光腔流動特點

1.1 COIL工作原理

COIL主要包括單重態氧發生器、光學諧振腔(光腔)、碘蒸汽發生器、氧碘混合超聲速陣列噴管等，如圖1所示。

圖1 COIL裝置示意Fig.1 Diagram of COIL

在單重態氧發生器中，堿性過氧化氫溶液以8～10 m/s的流速射流噴出，與Cl2反應生成單重態氧。根據單重態氧發生器結構和器件水平，所產生的單重態氧的體積分數一般在40%～60%。在氧碘混合噴管亞聲速段加入碘蒸汽。在單重態氧與碘發生器混合過程中，碘分子被離解為碘原子，碘原子和激發態氧近共振傳能，并被泵浦到激發態。在超聲速噴管中，氣流被加速至馬赫數2.0左右，氣流靜溫下降至150～170 K，從而使小信號增益系數g約為1×10-2cm-1，最后在光腔內受激輻射，產生激光[3]。

1.2 光腔流動特點

光腔內的增益介質是工作在負壓條件下的超聲速流動氣體。當正常運行時，光腔內壓力一般要求維持在1 000 Pa以內，并且要求尾氣快速及時排出。

與一般的流動不同，光腔內的流動具有以下一些特點：

1)COIL光腔截面形狀的寬度和高度的比值一般很大。這種形狀通道內的氣流流動狀態與常見形狀通道內的流動有很大不同。氣流在通道角落里會受到很強的三維效應，并可能產生分離。

2)光腔內流動的特征雷諾數一般比風洞中的雷諾數至少低一個數量級。因此其邊界層的厚度更厚，增長速度也更快，具有更加顯著的黏性效應。

3)光腔內流動中存在化學反應放熱以及激發態氧的放熱。氣流的流動狀態受COIL運行狀態的影響較大，當COIL不出光或者出光不正常時，化學反應產生的能量不能正常轉化為激光能量，將加劇流動內部放熱現象。

Malkov等[18]的研究表明，當初始壓力很低時，超聲速流動充滿整個流道，光腔內也將建立起完全符合預期的超聲速流場。隨著初始壓力的不斷升高，激波串結構將會逐漸向光腔入口方向移動，光腔內的壓力也逐漸升高。這種現象說明盡管通道內的流動是超聲速的，但是邊界層厚度較厚，且其內流動是亞聲速的，擴壓器下游或者出口位置產生的擾動仍然可以通過邊界層向上游傳播，從而影響光腔內的流場結構。

2 實驗裝置介紹

在邊界層控制方法的實驗研究中，利用真空系統和主流引射，采用邊界層抽吸的方法對光腔邊界層進行控制。

2.1 COIL平臺

實驗研究是在某型COIL平臺上開展的，其光腔上下壁板設計為可拆卸的，以便更換實驗件，比較不同的實驗件對邊界層的控制效果。圖2給出了光腔的示意圖。

圖2 光腔結構示意Fig.2 Diagram of laser cavity

2.2 邊界層控制實驗件

利用抽吸進行邊界層控制的一個關鍵參數是抽氣量，當抽氣量較小時，不能有效控制邊界層；當抽氣量較大時，又會影響主氣流的流場參數。本文首先根據平板可壓縮流動邊界層厚度發展公式，估算出光腔上下壁面的邊界層厚度，進而估算出抽氣量。抽氣量的控制是通過安裝在真空管道內的節流孔板進行的，不同開孔率的節流孔板對應不同的抽氣量。再根據抽氣量、節流面積等參數確定開孔或開槽的面積。

從流動來說，通氣壁(開孔壁、開槽壁)附近的流動是很復雜的。當超聲速流動產生的激波達到壁面后，在開孔或開槽處，氣流幾乎沒有壓力落差就進入駐室，當地壓力下降，激波以膨脹波的形式反射。而在實壁處，激波反射仍為激波。反射的激波和膨脹波需要通過一段混合區才能相互抵消。因此，不僅需要通氣面積合適，還要求開孔或開槽盡可能緊密排列，即在一定的開閉比條件下，孔徑或槽寬盡量小[19]。

在實驗研究中，共設計了3種不同的邊界層控制實驗件，也就是3種不同形式的光腔上下壁板。如圖3所示，3種實驗件分別為開槽板、主流引射縫和開孔板。

開槽板實驗件如圖3(a)所示。開槽板與光腔擴開角相等。上下開槽板各開等間距布置的若干條槽。主流引射縫實驗件如圖3(b)所示，在開槽板的后緣增加一道主流引射縫。開孔板實驗件如圖3(c)所示，任意相鄰兩個孔的孔距均是相等的。

(a) 開槽板(a) Slotted wall

(b) 主流引射縫(b) Mainstream ejected slot

(c) 開孔板(c) Perforated wall圖3 實驗件示意Fig.3 Diagram of experiment rig

整個實驗研究裝置如圖4所示。在光腔上下壁板外各設計有駐室，實驗件安裝在駐室內。駐室通過管道與真空系統連接，管道上安裝有節流孔板，可根據實驗要求更換不同的節流孔板，控制抽氣流量。

圖4 實驗裝置示意Fig.4 Diagram of experimental facility

在實驗過程中，通過觀察光腔內的壓力變化來考察邊界層控制方法的效果。壓力測點布置在光腔上壁面，如圖5所示。測點從左至右依次編號為1，2，3，…。

圖5 實壁狀態下光腔壓力測點沿程分布Fig.5 Distribution of measuring points of cavity pressure along channel with solid wall

3 實驗結果與分析

3.1 基準實驗

在對各組實驗件進行實驗研究之前，先進行基準實驗，即在光腔壁板為原有實壁板的情況下，COIL運行工作，觀察光腔內的壓力變化。

圖6給出了實壁狀態下光腔壓力在COIL運行過程中隨時間的變化曲線。由圖6可以看出，在出光過程中，光腔內壓力隨著時間的增長而逐漸升高。圖中PC為特征壓力，初始背壓約為1.5PC；當COIL在運行初期時，光腔壓力約為0.6PC～0.7PC，內部建立起了符合預期的超聲速流場。隨著實驗的進行，一方面背壓逐漸升高，將COIL氣流通道內的激波結構推向上游；另一方面化學反應釋放的熱量在通道內積累，使氣流溫度升高。這兩方面原因都會使光腔內的氣流速度降低，壓力升高，破壞光腔內的超聲速流場，影響COIL運行狀態。

圖6 實壁狀態下光腔壓力隨時間變化曲線Fig.6 Variation of cavity pressure with time and solid wall

圖7給出了光腔內沿程壓力測點的測量結果。圖7中結果表明，光腔壓力在光腔內沿著流動方向逐漸升高，說明氣流邊界層在變厚，使有效氣流通道面積減小，導致超聲速氣流在減速。另外隨著時間的增長，壓力分布曲線在抬升，這說明邊界層厚度隨時間在增長，使光腔內流場結構逐漸惡化。

圖7 實壁狀態下光腔壓力沿程分布Fig.7 Distribution of cavity pressure along channel with solid wall

3.2 開槽板實驗結果

將光腔上下壁板更換為開槽板，COIL正常運行，不同抽氣量時的光腔沿程壓力分布如圖8所示。圖8中結果表明，在采用開槽板和邊界層抽吸之后，光腔壓力分布與實壁狀態下的分布有明顯不同。在流向上，光腔壓力分布先增大后減小。這說明光腔后半部分的邊界層厚度明顯減小，有效通道面積增大，氣流在光腔后半部分在膨脹加速。在光腔前半部分，壓力分布是逐漸增大的，這可能是化學反應的放熱導致的。不同抽氣量的壓力分布中最高壓力點均出現在第3點，隨著抽氣量的增加，壓力分布整體下降。由此可以說明開槽板可以有效控制光腔內邊界層發展。

圖8 開槽板不同抽氣量時光腔壓力沿程分布Fig.8 Distribution of cavity pressure along channel at different sucking rate with slotted wall

表1給出了不同抽氣量時的COIL出光功率，其中ND為設計功率。可以看出，在1%～5%單位內，增大抽氣量，出光功率有所增加。繼續增大抽氣量至7%，出光功率開始減小。這說明在小范圍內適當增加抽氣量，邊界層控制效果更加明顯，但如果抽氣量超過一定程度，有效氣流流量的降低會影響到COIL的出光功率。

表1 開槽板不同抽氣量時的出光功率

3.3 主流引射縫實驗結果

圖9給出了不同的主流引射縫和抽氣量組合下的光腔沿程壓力分布。壓力分布曲線與開槽板實驗結果類似，都呈現在光腔前半部分壓力升高、后半部分壓力下降的趨勢。光腔壓力在主流引射縫和邊界層抽氣組合方式下更低，并且隨著抽氣量的增加，壓力進一步下降。由此可以說明主流引射或者主流引射和抽氣組合的方式可以有效控制邊界層。

圖9 不同主流引射縫狀態下光腔壓力沿程分布Fig.9 Distribution of cavity pressure along channel at different status of mainstream ejected slot

表2給出了不同的主流引射縫和抽氣量組合狀態下的COIL出光功率。可以看出，當采用主流引射和抽氣組合時，抽氣量增加至5%就會導致COIL出光功率的明顯下降。

表2 主流引射縫不同狀態時的出光功率

3.4 開孔板實驗結果

圖10 開孔板不同抽氣量時光腔壓力沿程分布Fig.10 Distribution of cavity pressure along channel at different sucking rate with perforated wall

圖10給出了開孔板狀態下不同抽氣量時的光腔沿程壓力分布。由于開孔的原因，沿程壓力測點只保留了中間4個測點。壓力分布曲線與之前的結果類似，都呈現出在光腔前半部分壓力升高、后半部分壓力下降的趨勢。隨著抽氣量的增加，壓力分布整體進一步下降。由此可以說明開孔板對于控制邊界層增長來說，也是有效的。

表3給出了開孔板在不同抽氣量時COIL的出光功率。從中可以看出，當COIL上下壁板采用開孔板時，抽氣量從1%增加至7%，對COIL出光功率的影響并不明顯。

表3 開孔板不同抽氣量時的出光功率

4 結論

利用邊界層抽吸的方法，通過開槽板、主流引射縫、開孔板三種實驗件對COIL光腔內的邊界控制開展了實驗研究，可以得到以下結論：

1)三種實驗件在對光腔邊界層控制上都取得了一定的效果，改善了光腔，特別是光腔后半部分的壓力分布。

2)在一定范圍內，增加邊界層的抽氣量，可以進一步減小邊界層厚度，降低光腔壓力，同時提高COIL出光功率，但是當抽氣量過大時，反而會降低出光功率。

3)三種實驗件中，主流引射的方式對抽氣量最敏感，當抽氣量增加至5%時，COIL出光功率已經明顯下降；開孔板對抽氣量不太敏感，抽氣量從1%增加至7%，對COIL出光功率的影響并不明顯。