对流风作用下的强激光热晕效应数值模拟研究

对流风作用下的强激光热晕效应数值模拟研究 第 37 卷 第 6 期 Vol . 37 ,No . 6 中 国 激 光 2010 年 6 月 J u ne , 2010 C HIN ES E J OU RNAL O F L AS ERS () 文章编号 : 025827025 20100621569205 对流风作用下的强激光热晕效应数值模拟研究 11 121 陈 勇郭隆德张龙金 钢姜 春 1 中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所 , 四川 绵阳 621000 ;2 中国空气动力研究与发展中心总体技术部 , 四川 绵阳 621000 摘要 采用数值方法分析研究强激光束在对流风作用下的 热晕效应 。湍流数 值模拟采用雷诺平均及大 涡模拟 ( ) RA N S/ L ES混合方法 ,即脱体涡方法 ,同时耦合 J2B 模型 ,而利用双时间步进行非定常问题迭代求解 ; 光在流场 和自由空间的传输计算采用波动光学方法 ,并根据远场光斑分布情况进行定性与定量分析 。研究考察了0 . 1 M W 功率 、0 . 1 m 口径的 Ga uss 光束在 1 ,5 和 10 m/ s 对流风作用下的热晕效应 。结果表明 ,对流风作用下的热晕效应 是非定常作用过程 ;对流风速度越低 ,激光热晕效应越强 ,其中 1 m/ s 的热晕效应最强 ,其远场光斑畸变最严重 ;对 流风速度越低 ,热晕效应非定常作用特性越明显 ,尤其 1 m/ s 的热晕效应在 5 s 观察时间内仍在发展变化 ,而 5 m/ s和 10 m/ s 的热晕效应在 3 s 以后已趋于稳定 。 关键词 大气光学 ;对流风 ;热晕效应 ; RA N S/ L ES 混合方法 ;J2B 模型 ;非定常问题 ;波动光学方法中图分类号 V211 ;O436 文献标识码 A d oi : 10 . 3788/ CJ L 20103706 . 1569 S i m u l a t i o n a n d S t u d y a b o u t T h e r m a l B l o o m i n g of Hi g h P o w e r L a s e r A f f e c t e d b y t h e C o n ve c t i ve W i n d 11121Che n Yon g Guo L on gde Zha n g L on g J i n Ga n g J ia n g Ch u n 1 Fa ci l i t y Des i g n a n d I ns t r u m e n t a t i o n I n s t i t u t e of Ch i n a Ae r od y n a m i cs Rese a r c h a n d Devel op m e n t Ce n t e r , Mi a n y a n g , S i c h u a n 621000 , Chi n a 2 Co m p u t a t i o n Ae r od y n a m i cs I n s t i t u t e of Chi n a Ae r od y n a m i cs Rese a r c h a n d Devel op m e n t Ce n t e r , Mi a n y a n g , S i c h u a n 621000 , Chi n a A bs t r a c t I n t his p ap e r , t he r mal bloomi n g of hi gh p ow e r las e r aff ec t e d by t he conve c ti ve wi nd has be e n si m ulat e d n ume ricall y a nd s t udie d . Tur bule nces a r e si m ula t e d wi t h t he RANS/ L ES hybri d me t hod , couple d wi t h t he J2B model . The duel ti me s t eps me t hod is us e d f or s ol vi ng u ns t ea dy f l ow p r oble ms . The wa ve op t ics me t hod is a dop t e d t o si mula t e be a m p r op a gat ion t h r ough bot h f low f i el d a nd f r e e sp ace . Bas e d on f a r f iel d sp ot , quali t a ti ve a nd qua nti t ati ve a nal ysis has be e n ca r rie d out . The r mal bl oomi n g of Ga uss bea m wi t h p ow e r of 0 . 1 MW a nd dia me t e r of 0 . 1 m , aff e c t e d by t he conve c ti ve wi nd at diff e r e nt veloci ties as f oll ows 1 , 5 a nd 10 m/ s , has be e n i nves t i ga t e d . Res ul ts s how t hat t he r mal bloomi ng aff e c t e d by t he wi nd is uns t e ady . The l ow e r veloci t y of t he conve c ti ve wi nd , t he s t r on ge r t he r mal bloomi n g . And esp eciall y w hic h of t he veloci t y of 1 m/ s is t he s t r on ges t a nd a be r r ati on of w hos e f a r f iel d sp ot is t he mos t s e ve r e . The uns t e ady p r op e r t y of t he r mal bloomi n g is mor e visi ble as t he veloci t y is low e r . For e xa mpl e , t he r mal bloomi n g at t he vel oci t y of 1 m/ s is s t ill c ha ngi n g i n 5 s , but t hos e a t t he 5 m/ s or 10 m/ s ha ve t r e nde d t o s t e a dy s t a t e af t e r 3 s . Ke y w o r ds at mosp he ric op t ics ; conve c ti ve wi nd ; t he r mal bloomi ng eff e c ts ; RANS/ L ES h ybri d me t hod ; J2B model ; u ns t ea dy p r oble m ; wa ve op tics me t hod 体密度在光束中心处低 、边缘处高 ,以致受热气体反 1 引 言 过来作用激光束 ,产生类似于凹透镜的散焦作用导 ,气体吸收激 当强激光束在气体介质中传输时 致激光束扩散以及峰值能量降低 ,这种激光束与气 光能量 ,导致气体温度升高 、密度降低 ,而近似于高 [ 1,7 ] 体介质的相互作用过程称为热晕效应 。热晕效 斯分布的激光束其中心能量高 、边缘能量低 ,使得气 收稿日期 : 2009208209 ; 收到修改稿日期 : 2009210213 () 作者简介 : 陈 勇 1975 —,男 ,博士 ,副研究员 ,主要从事湍流模型 、湍流计算以及气动光学等方面的研究 。 E2mail : ca r dcchy @sina . co m [ 9 ]( ) ( ) ,影响其作用半径 ,尤其在 应会降低强激光峰值强度 拟 RA N S/ L ES混合 方 法即 脱 体 涡 D ES方 法 [ 10 ] 并耦合 J2B 模型模拟湍流 ,从而把重要的湍流因 对流风作用下会引起光束偏折和远场光斑畸变 ,从 而对强激光的作用能力产生破坏性影响 ,因此开展 素影响考虑在内 。同时 ,还较为系统地模拟了在不 相关数值模拟研究具有重要现实意义 。在国内外关 同速度的对流风作用下的热晕效应 , 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 其是非定 于热晕效应数值模拟的大量文献报道中 ,研究人员 常发展变化的 ,同时它的非定常特性主要受对流风 [ 1 ] 速度大小的影响 。 已从依靠简单统计理论模型计算发展到利用求解 流场及光传输复杂控制方程的数值模拟方法 ,如光 [ 1,7 ] 传输计算已采用求解傍轴波动方程,而流场通 2 流场的控制方程及求解 [ 3 ] ( ) 过求解纳维叶2斯托克斯 N2S方程进行模拟,他 在曲线坐标系下的可压缩 N2S 方程统一形式为[ 3 ] [ 4 ,7 ] 们不仅合理预估了微重力、激光非均匀性以及 5 F 5 G 5 H 5 Q + + + = [ 5 ] ξ ε δ5555 t 大气湍流等对强激光热晕效应的影响 ,而且还深 入探讨怎样恰当选取网格尺度等重要参数以确保数 5 Fν 5 Gν 5 Hν M a ( )1 + + + S , [ 6 ] ξ ε δR e 555 值模拟的可靠性等。 ρμ 式中 M a = U ?/ a ? 为来流马赫数 , Re =?U ? L /?但是 ,在对流风作用下的热晕效应是一个非定 ( 是来流雷诺数 , S 为源项 能量方程包括强激光加 常问题 ,流场是弱可压的 ,而且流动与光束传输模拟 ) 热作用项, 方程左端第一项为时间项 ,第二项为对 需要耦合迭代求解 ,因此其条件苛刻 ,数值模拟工作 流项 ,右端第一项为粘性耗散项 。 难度大 。其次 ,在热晕效应模拟中 ,如何正确引入湍 ω D ES 方 法 采 用 基 于 两 方 程 k2切 应 力 输 运流的作用而又不带来过多的计算量 ,也是热晕效应 ( ) SS T的脱体涡模型 ,并且结合 J2B 模型使用 。D ES 数值模拟需要慎重考虑的因素 。在国内外 ,研究人 模型借用了雷诺平均 N2S 方法和大涡模拟的思想 ,综 员采用不可压近似的流动简化控制方程模拟热晕效 合了 RANS 模型和 L ES 模型的优越性能 ,依靠开关 应 ,把风速当成常数而忽略了强激光导致的热膨胀 [ 2 ,4 ,5 ,7 ] 函数控制模型的调用 ,即在近壁区采用 RAN S 模型 , 甚至热爆轰引起的风速改变, 这必然影 响 结 在远离壁面的自由流中采用 L ES 模型 。D ES 模型相 果精度 ,同时采用该方法还很难耦合湍流因素的影 比于 RANS 模型更为精确 ,而用比 L ES 模型更少的 响 。目前有些研究人员已经采用了复杂的 N2S 流 计算量获取相当精度的计算结果 。J2B 模型则是根据 动方程开展热晕效应模拟 ,并为此开创了一条有效 湍流内在作用机理构建的 ,即认为湍流能量随着含能 的数值模拟途径 ,但不足的是未能正确认识到热晕 [ 3 ] 涡的破碎 、分裂 ,进而转化为分子热能而被耗散掉 。 作用过程的非定常特性。本文综合热晕效应数值 大量工程运用表明 ,J2B 模型在湍流绕流数值模拟中 ( ) 模拟技术 ,如利用快速傅里叶变换 F F T方法求解 具有很好的性能 ,能够更为准确地量化湍流输运量 。傍轴波动方程计算光束传输 、利用求解 N2S 方程开 [ 9 ,11 ] [ 3 ,8 ] D ES 模型的具体形式 为 展流场数值模拟 等, 还利 用 雷诺 平均 及大 涡 模 3/ 2 5 kρ 5 k D k M a (μ σμ) ρ +kT + = P-k `l 5 x5 x jjR e d t ( ), 2 ωω5 ργ Dω 5 1 5 k 5M a ReM a 2 (μ σμ)βρω )ρσρ +ωT ( = Pk - + + 2 1 - F1 ω2 μ 5 x jω T D t5 x j5 x j 5 x jM a R e R e 为湍动能 , F为中间过程函数 。涡粘性系数和 J2B 式中控制函数 1 [ 10 ] ( Δ)`l 模型的湍动能生成项分别为= mi n lω , C k - D ES 1/ 2 ρρa k 1k Re M a k 2 M a μΩ lω = μ( ) = mi n , = k - , 4 , PkTT2 ω( ) α( ) ω Ω ], R e Cμ [ 1 +M1 - F3 F2 M aR e 1 T 1 (σσβγ) ( ) 模型常数 ,ω ,,通过 < = F<+ 1 - F<式 k 1 1 1 2 1 (ΔΔΔΔ )= ma x x ,y ,zL σΩ σ计算 , 这里 < 代表,ω 等 ,为当地平均流场的涡 k 量 , 式中 Cμ 为湍流模型常数 , M 为当地湍流马赫数 , kT 并且 1571 陈 6 期 勇等 : 对流风作用下的强激光热晕效应数值模拟研究 4F= t a n h a r g算结果 ,依靠三线性插值和距离加权插值方法等计 1 1 2算 。傍轴近似光波方程采用相屏法和 F F T 方法求 F= t a n h a r g2 2 解 ,其中相屏法用于空间上的迭代推进 ,而方程解近 ΓΓΓ a r g= mi n ma x ,,2 11 3 似为真空波动方程解叠加一个由介质折射率变化引 ΓΓ2,a r g= ma x 3 1 2 , 2 起的相位改变 。 ρσν ωk 4M a2 500k M a ΓΓΓ = , = = ,23 122 ωCμd ωR e R e d d CD k - ω ω5 k 5 1 - 20 4 计算结果与分析 ρσ2ω, 102 CD ω = ma x k - ω 5 x 5 x j j 强激光大气热晕效应的影响因素是多方面的 ,例( ) 5如湍流强度 、对流速度 、光束形状 、发射功率 、传输距 σσ式中,ω, C等为相关模型中的常数 , F为中 k1 1 D ES 2 间离以及气体种类等 ,本文主要考察在对流风作用下的 过程函数 。 Gauss 光束远场光斑强度分布随时间的发展演化情 况 。如图 1 所 示 的 光 路 系 统 , 功 率 0. 1 MW , 口 径 3 激光束传输计算 0. 1 m的 Gauss 光束在“A2A”截面的强度分布如右图 对于沿 z 轴方向传播的光波可以描述为所示 ,在通道 l = 10 m 上受到垂直于光束 、速度为 U ( )6 α( ) E = A e xp [ - z / 2 + i w t - kz ] , 的对流风作用 ,并在真空传输 L = 2 km 后最终投射 [ 1,7 ] 在缓变振幅近似下 A 满足傍轴近似方程在远场靶上 。在通道 l = 10 m 上的流场数值模拟采 2 n 2 5 A2用 RANS/ L ES 混合方法 ,以及耦合 J2B 修正模型 ,并 1 A 2i k A + k - = ? A , 2 5 z no 且利用双时间步 L U2S GS 方法进行非定常迭代求解 , 2 2 5 5 2 ( )+ ,A = 7 而光在全程通道上的传输模拟采用波动光学方法 ,即 ? 2 2 5 x5 y用 FF T 方法和相屏方法求解傍轴波动方程 ,流场和 ω( α式中为介质的消光系数 ,为光振动圆频率 , k = 光场之间的信息传递采用三线性插值方法等 。 πλ) 2/为真空波数 , n 为空气折射率系数 , n为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 o 状态下的空气折射率系数 。空气折射率利用流场计 图 1 热晕光路系统 Fig. 1 Op tical systems of t her mal bloo ming 图 2 是当 U = 1 m/ s 时 ,远场光斑强度等值线 大小是影响热晕效应特性的重要因素 ,而且随时间 在 t = 1 ,3 和 5 s 三个不同时刻的分布 。随时间增 累积增加热晕作用过程将趋于平衡 ,这些现象是文 加 ,远场光斑能量中心向上风方向的偏移量增加 ,光 献 [ 1 ,2 ]未能预测的 。 斑直径增大 ,在 5 s 作用时间内继续发展变化 ,仍未 呈现稳定发展趋势 。光斑中心向上风方向偏移 ,是 因为对流风把热空气带向下风方向 ,引起下风方向 空气密度降低 ,气体密度非均匀性导致了激光束朝 上风方向发生偏折 ,这是符合热晕效应作用规律的 , 也与文献 [ 1 ,2 ]报道是一致的 。同时 ,在 U = 1 m/ s 对流风作用下的热晕效应作用是一个非定常过程 , 图 2 在 U = 1 m/ s 及不同时刻的远场光斑强度等值线 远场光斑能量中心向上风方向的偏移量以及光斑畸 Fig. 2 Iso2intensit y line s of f ar2field spo t at diff erent 变程度均随时间累积增加而增强 ,这也与文献 [ 2 ]报 mo ment s a s U equal s to 1 m/ s 道类似 。在以下结果分析中还将表明 ,对流风速度 图 3 是当 U = 5 m/ s 时 ,远场光斑强度等值线 在 t = 1 ,3 和 5 s 三个不同时刻的分布 。U = 5 m/ s 与 U = 1 m/ s 相比 ,U = 5 m/ s 的远场光斑畸变程度 ,气流更能及时带 径越小 。原因是对流风速度越高 更弱 ,尤其在 t = 3 s 时间之后远场光斑变化速度减 走热空气从而减弱热晕效应的影响 ,因此降低了远 慢 ,并逐渐趋于稳定 。激光加热空气 ,空气吸收激光 场光斑能 量 扩 散 程 度 。同 时 , 在 5 s 考 察 时 间 内 , 能量会引起在光束传输通道上的空气密度变化 ,但 U = 5 和 10 m/ s 情 况的 环 围能 量半 径几 乎 达到 稳 同时对流风会带走热空气 ,减小激光的加热影响 ,故 定 ,而U = 1 m/ s 情况还在继续增加 ,但增加趋势逐 当这两方面的作用达到一定平衡条件时 ,远场光斑 渐趋于平缓 。 变化便会趋缓甚至达到稳定 。 图 3 在 U = 5 m/ s 及不同时刻的远场光斑强度等值线 Fig. 3 Iso2int ensit y line s of f ar2field spo t at diff erent mo ment s a s U equal s to 5 m/ s 图 5 远场光斑中心偏移量 图 4 是当 U = 10 m/ s 时 ,远场光斑强度等值线 Fig. 5 Excur sio n of f a r2field spo t center 在 t = 1 ,3 和 5 s 三个不同时刻的分布 。U = 10 m/ s 与 U = 5 m/ s 情 况 相 比 , 相 同 点 是 远 场 光 斑 也 在 t = 3 s之后趋于稳定平衡 , 不同 点是 光斑 形状 略 有 变化 ,U = 10 m/ s 情况更接近于衍射受限情形 。原 因是对流风速度高 ,可以更为及时地带走热空气 ,从 而减少了热量沉积 ,以致降低了激光热晕效应对远 场光斑质量的影响 。 图 6 86 . 5 %环围能量半径 Fig. 6 Radius of encircling 86 . 5 % ener gy 图 4 在 U = 10 m/ s 及不同时刻的远场光斑强度等值线 5 结 论 Fig. 4 Iso2int ensit y line s of f ar2field spo t at diff erent 采用数值模拟方法研究了在对流风作用下的强 mo ment s a s U equal s to 10 m/ s 激光热晕效应 。流动数值模拟采用 RANS/ L ES 混合 图 5 为远场光斑中心在对流风方向上的偏移方法即脱体涡方法 ,同时耦合 J2B 模型使用 。在流动 量 。光斑在垂直于对流风方向上近似对称 ,因此光 数值模拟结果基础上 ,利用三线性插值和距离加权插斑中心偏移主要发生在对流风方向上 。在 U = 1 ,5 值方法获取光束传输通道上的数据信息 。而激光在 以及 10 m/ s 情况下 , 远 场光 斑 中心 偏移 量均 是 负 对流风作用通道以及真空空间的传输计算均采用波 值 ,即光斑是朝上风方向偏移 。在 t = 1 s 时刻 ,速度 动光学方法 。结果表明 ,在对流风影响下的激光热晕 越高中心偏移量越大 ,而在 t = 5 s 时刻却与之相反 ,效应作用是一个非定常过程 ,导致远场光斑随时间发 即速度越高中心偏移量越小 。其次 ,速度越高 ,中心 展变化 ,但随时间累积增加时将趋于平衡稳定 ;对流 偏移量更容易趋于定值 ,如在 t = 5 s 时刻 ,U = 5 和 风速度越低 ,激光热晕效应越严重 ,导致中心偏移量 10 m/ s 的 中 心 偏 移 量 已 经 近 似 为 常 数 , 而 U =和环围能量半径越大 。研究成果对如何控制在激光 1 m/ s的中心偏移量 仍在 继 续发 展变 化 , 其值 已 达 传输通道上尤其在激光器内部的气体对流速度以降 到 0 . 02 m ,也即在 200 k m 之外会引起近 2 m 的偏 低激光热晕效应的影响 ,从而有效提高激光光束质量 移量 。图 6 为远场光斑 86 . 5 %环围能量半径随时 以及控制激光束传输等有参考价值 。 1573 6 期 陈 勇等 : 对流风作用下的强激光热晕效应数值模拟研究 6 Huang Yi nbo , Wa ng Yi ngjian . Choo si ng co mp uti ng p ara met er s 参 考 文 献 J . i n t he numerical si mulatio n of la ser p rop agatio n eff ect s [ J ] . 1 J . W. St ro hbehn , J . L . Wal sh , P . B . Ul rich et al . . L a ser Bea m ( ) A t m os p he ric an d Env i ronment al O p t ics , 2007 , 2 1: 23,27 Prop agatio n i n t he At mo sp here [ M ] . Sri ng2Verlag , Berli n , 1978 黄印博 ,王英俭. 激光 大气 传输数 值模 拟中对 计算 参量的 选取2 J . F . Scho nf el d . The t heo r y of co mp en sat ed la ser p rop agatio n ( ) [J ] . 大气与环境光学学报 , 2007 , 2 1: 23,27t hro ugh st ro ng t her mal bloo mi ng [ J ] . The L i ncol n L aborat or y 7 Du Xia ngwa n , Zha ng Feizho u . A symmet rical t her mal bloo mi ng ( ) J ou rnal , 1992 , 5 1: 131,150 eff ect of i nt en se la ser bea m p rop agatio n t hro ugh at mo sp here [ C ] . 3 J i n Ga ng , Li u Shunf a , Li Shumi n et al . . L a ser t her mal eff ect s i n S P I E , 2007 , 6346 : 634627 bea ms co nt rol syst e m o n t he emit t ed la ser qualit y [J ] . 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