大流量軸快流CO2激光器放電管的對比分析

李俊杰，李 波，王又青

(華中科技大學光學與電子信息學院激光加工國家工程中心，武漢430074)

引 言

軸快流CO2激光器得名于其與光束同軸的快速流動氣體冷卻技術。由于光束質量好、功率高、運行穩定可靠，是一種主要的工業激光器［1］。軸快流激光器由于工作氣體的流速很快，正是靠著放電管內的流場的湍流和擴散來使工作氣體的軸向分布更加均勻，實現穩定均勻的輝光放電。

軸快流CO2激光器常用的是普通的十字型放電管和入口處有外部繞流環的放電管。普通的十字型放電管的質量流量較大，能出較大功率，但管內的速度和湍流強度不均勻，在較大的電功率激勵下能產生輝光放電，但在陽極區容易出現拉絲。另一種常用的放電管是入口處帶有外部繞流環結構。該放電管的質量流量相對于十字型管要小，且速度和湍流強度的均勻性較好，注入較小的電功率能實現穩定的輝光放電，但在較大的電功率激勵下容易出現弧光放電［2］。作者通過對現有的放電管進行改進和優化，設計出一種質量流量大、湍流強度和速度均勻性好的放電管。

1 兩種放電管的結構的比較

目前軸快流CO2激光器中常采用的是入口處有外部繞流環結構的放電管。氣體從入口直管段進入繞流環后分成兩股，在繞流環兩側環流并在噴嘴處匯聚，經壓縮噴射進入直管段。結構如圖1所示。

在放電管a(見圖1)的基礎上對繞流環、噴嘴、直管段等結構進行改進和優化，設計出一種新型的大質量流量的放電管b。放電管b的結構如圖2所示。

Fig.1 Structure geometry and left view of tube a

Fig.2 Structure geometry and left view of tube b

工作氣體的質量流量與放電管的入口處的直徑、噴嘴的直徑以及直管段的直徑有關。圖1、圖2中r為放電管的入口處的直徑，H為放電管的入口處與中心軸線的距離，R1和R2分別為繞流環的半徑以及直管段的半徑。由左視圖可知，放電管a的入口處的直徑為20.4mm，直管段的直徑19.15mm;放電管b的入口處直徑為22.15mm，直管段直徑為20mm。在壓降相同的情況下，入口以及直管段的直徑越大，質量流量會越大。放電管a的噴嘴的直徑大小為12.7mm，放電管b的噴嘴直徑為16mm，噴嘴的直徑越大，直管內的氣體質量流量也越大，但同時也會引起放電管中間的橢圓體內的湍流強度下降，工作氣體速度的軸向分布均勻性變差等問題。在設計放電管的過程中為了彌補由于噴嘴的直徑的變大導致速度分布均勻性變差，增加了放電管b的入口與中心軸線的距離H，改善了工作氣體速度的軸向分布均勻性［3］，同時增加放電管b的繞流環半徑R1，提高湍流強度。數值模擬結果顯示，以上兩種措施使得工作氣體速度的軸向分布更均勻。

2 放電管的數值模擬

數值模擬的模型由能量守恒方程、動量守恒方程以及質量守恒方程等一系列流體力學基本方程建立而成［4-6］。FLUENT是計算流體動力學的軟件，采用有限體積法將計算區域劃分為一系列的控制體積，用待解的微分方程對每一個控制體積積分得出離散方程。FLUENT軟件適用于高速可壓流體的動力學計算，能達到最佳的收斂速度和求解精度，可以精確獲得放電管內的工作氣體的流場分布［7］。

FLUENT軟件在計算的過程中需要設置邊界條件，若要計算的結果精確，則需要將邊界條件設置的與真實的環境是一樣的。邊界條件的設置如表1所示［8］。

放電管a和放電管b采用的是相同的風機，工作氣體的配比也相同，兩者的邊界條件也基本相同，由于放電管a和放電管b的入口處的直徑大小不同，放電管a的入口直徑為20.4mm，放電管b的入口直徑為22.15mm，入口的湍流動能和湍流耗散率是與入口處的直徑大小相關的，放電管a和放電管b在入口處的湍流動能和湍流耗散率不相同，根據湍流動能和湍流耗散率的計算公式可知，放電管 b的湍流動能為169m2/s2，湍流耗散率為233816m2/s3。

Table 1 Specifications of boundary conditions used in computation

通過在FLUENT軟件中導入網格模型，將邊界設置成如表1所示的邊界條件。下面將分析FLUENT軟件的計算模擬結果。

2．1 放電管內的質量流量

在相同邊界條件下由FLUENT軟件計算得出放電管a的質量流量為0.00235kg/s，放電管b的質量流量為0.00302kg/s。放電管b的質量流量相對于放電管a有一定程度的提高。對于光電轉換效率一定的激光器，若提高注入功率則管內產生的熱量也會相應的增加，而提高放電管的質量流量，將有助于更加迅速地帶走放電產生的廢熱，保證放電管內的工作氣體的溫度低于臨界值，從而提高放電管的輸出功率［9］。研究表明，質量流量為1g/s時，單根放電管可獲得120W～150W的激光功率輸出，因此放電管a能夠獲得280W～350W的激光功率輸出，放電管b能夠獲得360W～450W的激光功率輸出。

在設計放電管的過程中不僅需要考慮如何提高管內的質量流量從而提高激光器輸出功率，還需要考慮速度、溫度、氣體密度等其它的影響放電穩定性的因素。

2．2 放電管內的速度分布

圖3和圖4分別是a管和b管沿軸向的速率分布圖，曲線A、曲線B、曲線C分別代表的是直管中心線、距離直管中心線5mm以及距離直管中心線-5mm處的速率分布。比較放電管a和放電管b的軸向速率分布曲線圖可知，在同樣的壓降條件下，在直管段放電管b的平均速率約為240m/s，而放電管a內的平均速率約為200m/s，放電管內的工作氣體的速率越快，則管內的抽運所產生的能量越能及時被帶走，從而保證管內的溫度在臨界范圍之內。同時在直管段放電管b的速率的均勻性要比放電管a更好，放電管b較放電管a更容易實現穩定的輝光放電。

Fig.3 Velocity magnitude vs.axial length in tube a

Fig.4 Velocity magnitude vs.axial length in tube b

2．3 放電管內的溫度分布

圖5 和圖6分別是放電管a和放電管b內的軸向溫度分布曲線圖。比較可知，放電管b內的平均溫度要比放電管a內的平均溫度低。由于放電管b內的工作氣體的流動速率要比放電管a的工作氣體的流動速率快，且放電管b的質量流量更大，因此放電管b放電時產生的大量能量能夠迅速地被帶走，使得放電管b內的平均溫度相對放電管a要低，激光器的工作也會更加的穩定。

Fig.5 Static temperature vs.axial length in tube a

Fig.6 Static temperature vs.axial length in tube b

2．4 放電管內的密度分布

圖7 和圖8分別是放電管a和放電管b沿軸線方向的密度分布曲線圖，由于工作氣體的密度主要受溫度和壓強的影響，在工作氣體的入口處由于溫度低、壓強高，氣體的密度顯然較高。在直管段內的工作氣體的密度對放電有很大的影響，氣體分子不均勻可能會導致放電過程出現拉絲。放電管a和放電管b在軸向的密度分布都較為均勻，能夠實現穩定的輝光放電。

Fig.7 Density vs.axial length in tube a

Fig.8 Density vs.axial length in tube b

由FLUENT軟件的模擬結果可知，在同樣的壓降條件下，放電管b內的工作氣體速度快、質量流量大、平均溫度低，放電管b能得到十分均勻和穩定的輝光放電。由于注入功率和放電管的質量流量成正比，故放電管b易輸出較大的激光功率。放電管a的工作氣體流速較低、流量較小，氣體的溫升較放電管b要大，在較大功率的情況下容易出現放電拉絲。

3 實驗結果對比分析

在相同的工作氣壓、相同的氣體配比條件下對放電管a和放電管b分別進行實驗研究，對比兩種放電管在不同電功率的激勵下的放電表現。放電管a在激勵電功率不超過1490W時能夠產生穩定均勻的輝光放電。當激勵電功率在1490W以上時，在直管段靠近陽極區會出現不均勻的輝光放電和絲狀放電［10］。對于放電管b，當激勵電功率達到了1650W時仍能維持均勻穩定的輝光放電。實驗中單根放電管的輸出結果如表2所示。

Table 2 Output power of single discharge tube

4 結論

由數值模擬和實驗論證可知，新設計的放電管的質量流量增大，在較大的電功率激勵下能夠實現穩定均勻的輝光放電，單根放電管的輸出功率提高。對比放電管a和放電管b，在新型放電管的設計過程中，可適當增加放電管的入口、噴嘴以及直管段的直徑，提高氣體的質量流量，增加入口與中心軸線的距離以及外部繞流環的半徑來分別提高氣體的均勻性和湍流強度。放電管優化設計的原則是在保持工作氣體的速度、溫度、密度均勻的前提下，提高放電管的質量流量。

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