近日,中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所激光中心梁勖團(tuán)隊(duì)針對(duì)氣體激光系統(tǒng)中電暈放電流體控制及其應(yīng)用開(kāi)展研究,提出一種適用于多針電暈放電場(chǎng)景的電場(chǎng)-流場(chǎng)耦合分析模型,揭示了多針電流體泵的流速分布特性及其受控規(guī)律,設(shè)計(jì)的電流體泵可用于超緊湊小型化氣體激光系統(tǒng)的非機(jī)械式介質(zhì)循環(huán)驅(qū)動(dòng),突破了特殊場(chǎng)景下超緊湊氣體激光系統(tǒng)應(yīng)用難點(diǎn)。相關(guān)研究成果發(fā)表于流體力學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)刊物Physics of Fluids,并被期刊遴選為Editor's Pick(編輯精選)。
傳統(tǒng)的氣體激光器采用機(jī)械式循環(huán)裝置形成高速介質(zhì)循環(huán),存在體積大、振動(dòng)強(qiáng)烈、噪聲嚴(yán)重等特點(diǎn),在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景以及超緊湊氣體激光系統(tǒng)應(yīng)用中并不適用;電流體動(dòng)力學(xué)(Electrohydrodynamics, EHD)泵通過(guò)電暈放電產(chǎn)生“離子風(fēng)”,具有輕量化、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲等優(yōu)勢(shì),可在小型化氣體激光系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)機(jī)械式循環(huán)裝置,拓展氣體激光應(yīng)用。
研究人員針對(duì)多針電暈放電EHD泵的流動(dòng)分布特性及其流速控制問(wèn)題開(kāi)展研究。首先通過(guò)建立相應(yīng)的物理模型,構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合機(jī)制,推導(dǎo)出適用于多針電暈放電系統(tǒng)的非線(xiàn)性穩(wěn)態(tài)電流體簡(jiǎn)化方程;其次針對(duì)流速剖面的非線(xiàn)性微分方程邊值問(wèn)題設(shè)計(jì)高精度、快速的數(shù)值計(jì)算算法,定量計(jì)算穩(wěn)態(tài)流速隨電壓與電極間距參數(shù)變化的受控特性。
研究結(jié)果表明,在多針EHD泵的穩(wěn)態(tài)流速控制中,電壓參數(shù)相比電極間距更占主導(dǎo)地位,系統(tǒng)的最大流速和平均流速隨電壓控制均呈超線(xiàn)性演化規(guī)律。在電極間距為1厘米的多針EHD泵設(shè)計(jì)方案中,提供5000伏的工作電壓即可獲得0.82米/秒的最大氣體流速,可達(dá)到小型氣體激光系統(tǒng)中介質(zhì)循環(huán)要求,滿(mǎn)足主電極正常輝光放電,拓展特殊場(chǎng)景下超緊湊氣體激光系統(tǒng)應(yīng)用。
碩士研究生韓金亮為論文的第一作者,梁勖研究員為論文的通訊作者。本研究獲得了中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1063/5.0217043
圖 多針EHD泵流速剖面邊值問(wèn)題的計(jì)算框架
圖 多針EHD系統(tǒng)的流場(chǎng)分布:(a)當(dāng)陽(yáng)極電壓為4000伏時(shí);
(b)當(dāng)陽(yáng)極電壓為4500伏時(shí);(c)當(dāng)陽(yáng)極電壓為5000伏時(shí)
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