4-7  热释放对COIL流场影响的实验

刘  军  蔡光明  宋影松

　　以往氧碘激光装置扩压段的设计是建立在常温定常气流条件下，没有考虑含能粒子的热释放，对于采用真空罐作为压力恢复系统的COIL装置而言，其性能优劣不能完全体现。因为真空罐可保证工作背压很低，光腔和超扩段内基本是超音速流动，静压很低，虽存在热释放造成气流总温的升高，但还可保持光腔和超扩段内静温较低，因此热释放对气流的负面效应没有完全体现。但在高背压条件下（如采用引射器作为压力恢复系统），超扩段内气流速度减慢，热释放效应得以充分体现。

激光器主气流进入光腔后，单重态氧与碘分子混合，并发生化学反应，导致碘原子实现粒子数反转实现激光输出。从反应机理看，光腔和扩压段内的气体组分包括：I₂、激发态I₂、I、激发态I、O₂(¹D) 、O₂(¹å) 、O₂(³å)、He、Cl₂和H₂O等。据文献称，单重态氧脱活主要途径是通过O₂(¹D)与碘原子的近共振传能和水蒸气对激发态碘原子的淬灭。

　　从反应式O₂(¹D) +I®O₂(¹å) +I^*，I^*+H₂O®I+H₂O可知，碘原子是导致O₂(¹Δ)淬灭的主要原因。文献指出，距光腔出口30 cm处，淬灭放热引起的温度升高达100 K。因此光腔和超扩段内热释放是不可忽略的。

　　对于超音速流动而言，化学反应加热会使静压、密度、温度沿流线增大，速度、总压及马赫数沿流向减小。对于亚音速流动而言，化学反应加热会使静压和总压下降、静温升高。化学反应放热最直接的效应是带来气体温度的增加，而温度的增加又会带来气流黏性的增加。黏性增大的直观影响是使流动的摩擦损失增大，其表现为流动和壁面之间的摩擦和流动边界层内流体间的摩擦，化学热效应所带来的摩擦损失主要表现在总压的下降上。黏性增大的间接影响是使气体流动分离的危机加大，激波和附面层的干扰加剧等等。从上述分析来看，化学反应的热效应在光腔及超扩段流动中的影响是不可忽略的。本实验通过调节真空阀门开度来改变工作背压，模拟引射器条件，对比了加碘和不加碘对光腔和超扩段内气体流动的影响。

　　通过实验对比分析，相同阀门开度下，有碘时总压损失比无碘时大。加碘时静温升高约120℃，而不加碘时静温升高约60~70 ℃，两者相差50~60 ℃。这说明碘注入是单重态氧淬灭的主要途径。同样的光腔和超扩段，在相同阀门开度下（真空罐抽吸能力一定），不加碘的压力恢复效率比加碘时高。同样的光腔和超扩段，在相同阀门开度下（真空罐抽吸能力一定），不加碘的压力恢复效率比加碘时高。通过对以上实验结果的分析和讨论，我们认为，光腔和超扩段内含能粒子的热释放不能忽略不计，它造成总压损失增加、静温升高和扩压段压力恢复效率的降低。因此，光腔和超扩段的设计不能完全建立在冷气流引射实验结果之上。