大功率固态激光器中的传热与热应力研究

大功率固态激光器中的传热与热应力研究

论文摘要

热效应是制约大功率固态激光器输出功率与性能进一步提高的严重障碍,是激光技术发展的主要瓶颈之一。本文围绕大功率固态激光器热管理,通过解析解、数值模拟和实验研究相结合的方法,进行了系统深入研究,得出强化传热、降低发热器件温度、改善温度分布不均匀性、减小热效应、提高激光器输出功率和光束质量的有效措施与方法。针对侧面泵浦、侧面冷却的棒状激光工作物质,建立了冷却通道内对流换热、激光工作物质热传导与热应力物理数学模型。采用定热流条件下环形通道内对流换热问题的解析解/实验关联式确定流体温度的空间变化规律以及对流换热系数;由非均匀边界条件下的二维轴对称热传导模型推导出解析解;温度场级数的第一项与沿半径方向一维模型的解完全相同,级数的其余项表明工作物质中的纵向温度梯度与流体温升、径向毕渥数以及晶体棒长径比呈单调递增关系。然后进行了流固耦合数值模拟,并将数值模拟结果与解析解进行了详细对比分析;结果表明,理论解推导过程物理概念明晰,其解析表达式能够清晰反映出各种因素对温度分布的影响规律,能为温度控制和系统优化提供明确方向和理论依据,因而具有重要参考价值;流固耦合数值模拟方法由于不受复杂几何形状与边界条件、变物性等限制,能够更好反映流动与换热的入口效应,从而得到更符合实际问题的解,实际过程中两种方法应该相互结合使用,取长补短;在激光器设计中,可考虑将入口效应影响较为严重的激光棒端部排除在工作区域之外。进一步求出了工作物质中热应力与热应变分布的解析解。分析表明:在自由边界条件下,纵向温升对工作物质内部热应力分布的影响并不显著。然而晶体内部由温度场和热应力场共同作用形成的热应变场沿纵向有较明显的变化,将对晶体的光传输特性和光束质量造成一定影响。针对正交各向异性激光工作物质,建立了热传导与热应力物理数学模型。利用积分变换法分别推导了三种不同泵浦方式下激光工作物质内部温度分布的三维解析表达式,然后从三维温度场出发,基于平面应变假设,采用Airy热应力函数法推导了三种不同泵浦方式下热应力和热应变的解析解,并与各向同性介质的结果进行了详细对比分析。结果表明,晶体内部靠近中心的区域承受压应力,而靠近表面的区域承受拉应力;假定相同的总热负荷,并假设平顶泵浦光束的半径等于高斯泵浦光束的束腰,则平顶光束泵浦方式下的最高温度和最大热应力均低于高斯光束泵浦方式,而均匀泵浦方式下的热效应最小;在无外力及约束存在条件下,热膨胀系数的正交各向异性对激光工作物质中的热应变分量有着显著影响,而对热应力分量的影响较小。本解析解可适用于激光辐照下各种正交各向异性工作物质的热传导和热应力问题。针对DLA泵浦源Dh=0.333mm、Re =101-1775的矩形微通道内层流流动与传热,分别采用入口物性、平均物性和变物性进行了三维流固耦合数值模拟。在数据处理中也分别采用平均物性法和变物性法,并将不同方法下局部和平均流动与传热特性的计算结果与新近文献中的实验结果、常见关联式及近似理论解进行了详细对比分析。结果表明,与入口物性法相比,平均物性和变物性法均获得明显较低的fapp以及较高的hz和Nuz;与平均物性法相比,变物性法在通道起始段具有更高的fappReave和较低的hz,而在后段具有较低的fappReave和较高的hz。Nuave的计算结果与Sieder-Tate关联式吻合良好,表明传统的宏观数学模型能够正确用于预测本文尺度和Re范围内微通道中的流动与传热特性。针对某DLA泵浦源现有水冷热沉存在的实际问题,设计和制作了一种单相液冷微通道热沉,采用细密短微通道来代替原较宽的长通道,提高了散热能力,改善了热沉加热面温度分布均匀性,同时实现了较低的流动阻力。在本实验最大流量G = 70ml/s情况下,微通道部分的压降只有10.3kPa;当热沉加热面的平均温升为25.7℃时,热沉的散热能力可达730W,相当于146.9W/cm2的界面热流密度;热沉总热阻为0.035K/W,相应于界面上0.199 K·cm2/W的单位面积热阻,足以达到设计的散热要求。选用更大功率的泵,实现更高的雷诺数,可以进一步降低热沉热阻,提高散热能力。此外,Shah和London的表观阻力系数关联式、Sieder-Tate的Nu数关联式以及Shah & London的Nu数关联式均与本实验数据符合较好。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 主要符号表
  • 第1章 引言
  • 1.1 课题研究背景与意义
  • 1.1.1 固态激光工作物质热效应研究的实际意义
  • 1.1.2 二极管激光器泵浦热效应研究的实际意义
  • 1.1.3 课题研究的理论意义
  • 1.2 固态激光器热效应简介
  • 1.2.1 热效应的产生机理
  • 1.2.2 热效应的简化理论分析
  • 1.2.3 热效应的影响因素
  • 1.3 本课题国内外研究状况
  • 1.3.1 关于固态激光工作物质的研究
  • 1.3.2 关于二极管激光器和二极管泵浦的冷却
  • 1.3.3 关于倍频晶体和腔镜等光学元件热效应的研究
  • 1.3.4 现有研究工作的不足
  • 1.4 本文主要研究内容
  • 1.5 本文研究的创新之处
  • 第2章 棒状激光工作物质的对流换热、热传导及热应力
  • 2.1 问题描述与数学模型
  • 2.2 环形通道内的强制对流换热
  • 2.2.1 层流换热问题的解析解
  • 2.2.2 湍流换热问题的实验关联式
  • 2.3 棒状激光工作物质内的温度场
  • 2.3.1 二维轴对称解析解的推导
  • 2.3.2 典型计算实例
  • 2.3.3 与流固耦合数值模拟的对比分析
  • 2.4 棒状激光工作物质内的热应力与热应变
  • 2.4.1 解析解的推导
  • 2.4.2 典型计算实例
  • 2.4.3 简化的准二维近似分析
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 各向异性激光工作物质中的传热与热应力分析
  • 3.1 问题描述与数学模型
  • 3.1.1 各向异性激光工作物质中的热传导问题
  • 3.1.2 各向异性激光工作物质中的热应力问题
  • 3.2 不同泵浦方式下解析解的推导
  • 3.2.1 温度场三维解析表达式的推导
  • 3.2.2 热应力与热应变解析表达式的推导
  • 3.3 计算实例与对比分析
  • 3.3.1 温度场
  • 3.3.2 热应力与热应变场
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 变物性对DLA微通道热沉流动与传热的影响
  • 4.1 问题描述与数学模型
  • 4.2 计算结果与讨论
  • 4.2.1 局部和平均压降特性
  • 4.2.2 局部和平均传热特性
  • 4.3 本章小结
  • 第5章 DLA泵浦源液冷微通道热沉实验研究
  • 5.1 实验系统组成及测试仪表
  • 5.2 实验条件、方法步骤及注意事项
  • 5.2.1 实验条件
  • 5.2.2 方法步骤
  • 5.2.3 注意事项
  • 5.3 实验结果与分析
  • 5.3.1 流动阻力
  • 5.3.2 传热特性
  • 5.4 理论计算与对比分析
  • 5.5 实验结果的不确定度分析
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表论文及申请专利目录
  • 致谢
  • 相关论文文献

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