高背压超声气体团簇喷流特性研究

发布时间：2017-03-19 07:01

  本文关键词：高背压超声气体团簇喷流特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近二十几年来,超强超短激光脉冲与物质相互作用研究受到了极大的关注。气体团簇喷流作为一种特殊的相互作用介质,微观上单个团簇密度与固体相当,同时宏观上团簇喷流密度又与气体相似。因而气体团簇喷流结合了气体和固体两种相互作用介质的优点,而逐渐受到了研究者们的青睐。在产生高能离子、高能电子、x射线、太赫兹辐射和高次谐波等方面,气体团簇被大量用于研究中。在利用飞秒强激光脉冲与氘团簇喷流相互作用实现台式激光核聚变以来,为了提高聚变中子产额,研究者们对各种气体团簇源进行了很多理论和实验研究,以更好地表征团簇喷流特性。但目前就高气体背压下喷流中团簇尺寸大小和原子密度及其空间分布等许多特性研究仍然存在很多不足。本研究针对高背压气体团簇喷流特性研究不足,开展了如下研究工作:(1)针对不同构型的锥型喷嘴(包括不同半张角、不同喷嘴长度等),使用Fluent软件详细模拟了高背压氩气经喷嘴向真空超声绝热膨胀形成的气体团簇喷流中原子密度的分布和演化规律。研究表明:高背压气体喷流中心原子密度小于Hagena尺度定律中直线流模型预期的原子密度,这与文献报道的实验结果相符。本论文继而利用模拟结果详细研究了锥型喷嘴实际等效孔径与气体背压、喷嘴长度、喷嘴张角等因素的关系。结果表明:在较长喷嘴和较大半张角时,锥型喷嘴的等效孔径与直线流模型预期接近。(2)利用Boldarev理论模型开展了高背压超声氩气喷流中团簇平均尺寸的演化研究。分析比较由喷嘴喉口起沿喷流方向在喷流中心轴线上团簇平均尺寸的演化情况,再结合关于喷流中原子密度沿喷流方向变化的模拟结果开展锥型喷嘴长度的优化研究。研究表明:对于喉口直径为0.5 mm、半张角为8.5o的锥型喷嘴中喷流密度在喷嘴中心轴线上先变小后逐渐趋于稳定,而喷流中团簇平均尺寸则逐渐变大而后在距离喉口20 mm左右的位置趋于一个稳定值。因此合适的锥型喷嘴长度约为20 mm。本论文着眼于激光-团簇相互作用研究这一前沿课题,主要通过数值模拟开展了高背压气体喷流密度及团簇平均尺寸的演化,以及锥型喷嘴等效孔径的研究。这对气体团簇源的制备及基于气体团簇的应用研究、激光与团簇相互作用机制的理解,乃至对激光与物质相互作用机制的深入理解有一定的意义。
【关键词】：团簇平均尺寸 喷流原子密度 锥型喷嘴等效孔径 Hagena尺寸定律 Fluent软件 Boldarev模型
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24;O35
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 激光与团簇相互作用概述12-13
• 1.2 团簇喷流特性表征方法13-18
• 1.2.1 Hagena尺度定律13-15
• 1.2.2 团簇平均尺寸的测量----瑞利散射法15-17
• 1.2.3 团簇喷流中原子密度的测量-----M-Z干涉法17-18
• 1.2.4 团簇特性表征其他方法18
• 1.3 团簇特性表征研究进展18-22
• 1.4 本课题研究内容及其意义22-24
• 第二章 计算流体力学基础与Fluent软件简介24-40
• 2.1 计算流体力学基础24-28
• 2.1.1 计算流体力学概论24-26
• 2.1.2 流体流动基本特性26-27
• 2.1.3 控制方程27-28
• 2.2 Fluent软件介绍28-40
• 2.2.1 Fluent软件概述29
• 2.2.2 Fluent操作步骤29-40
• 第三章 基于Fluent的喷流密度模拟计算40-54
• 3.1 问题分析及模型建立40
• 3.2 模拟结果及分析40-52
• 3.2.1 喷流特性比较41-43
• 3.2.2 半张角对喷流特性影响43-45
• 3.2.3 喷嘴长度对喷流特性影响45-47
• 3.2.4 初始背压对喷流特性影响47-50
• 3.2.5 锥型喷嘴实际等效孔径与Hagena尺度定律预测等效孔径比较50-52
• 3.3 本章小结52-54
• 第四章 锥型喷嘴长度的优化研究54-61
• 4.1 引言54
• 4.2 Boldarev理论模型54-56
• 4.3 结果与讨论56-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 参考文献63-68
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文68-69
• 致谢69-70

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