一种激光器的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种激光器的设计方法。
【背景技术】
[0002] 二氧化碳激光器在工作时要将二氧化碳、氮气和氦气按照一定的比例混合然后通 入激光器内腔，在高能电场的激励下发生电光转换，产生激光。工作气体需要在高速风机， 如涡轮风机、罗茨泵等设备的带动下在腔内高速运动。由于工作气体本身的纯度、气体输运 管道及器件的洁净度以及安装过程中的操作等问题，腔内的工作气体中或多或少的存在一 些粉尘颗粒。腔内粉尘颗粒的存在一部分会因为电场或者激光的作用转换为有害于激光器 运行的有害气体，或者直接吸附在光学器件表面，增加光学器件对激光的吸收系数，使得光 学器件温度升高产生热变形或者热破坏，更严重的大颗粒在随腔内高速气流一起运动的过 程中直接撞击光学器件表面，造成光学器件的直接破裂。
[0003]目前，有部分研究机构公布了一些解决上述问题的方法，但是其解决问题的方法 尚处于完全依靠设计者的经验，反复试验的阶段，此种方法设计周期长，耗费资金大。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的问题是现有的激光器设计方法周期长、耗资大的缺陷，提供一种 激光器的设计方法，其利用计算机求解依据基本物理原理建立起的描述流体运动的偏微分 方程的方法，模拟及预测粉尘颗粒在激光器腔内的运动轨迹，此种方法可以显示并预测流 场中发生的现象，并且能方便的修改各种参数，迅速比较各种方案的优劣性，优化设计方 案，大大提高设计效率，降低设计花费。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为： (1)对初步设计的激光器气路系统进行分析，将具有不同流速特征的部分简化为独立 的几何模型，并依据不同的物理模型特征建立控制方程。
[0006] (2)根据（1)中建立起的控制方程，分别测试所需要的边界条件，建立起流场计算 模型，并进行流场计算，后处理并判断流场结果的合理性，如不合理修改流场计算模型再 次计算，如合理进行下一步。
[0007] ⑶测试离散相的边界条件，选择合适的离散相计算模型，进行离散相计算。
[0008] (4)对离散相计算结果进行后处理，判断设计方案是否最优，如最优则结束，如否， 则返回第一步修改设计方案。
[0009] 具体的，所述控制方程中，放电管部分的气体处于亚音速流动状态，控制方程为： 连续方程出v(pi) = 〇 动量守恒方程=div乂辟rad(S)) -gr；sd〔p) 能量方程出WpuTi=办，丨lV|- :ST 具体的，所述控制方程中，激光器内流速较低部位的控制方程为： 连续方程= 〇 动量守恒方程=d〖v:: 。
[0010] 具体的，所述流场计算的边界条件包括进口压力、出口压力、气体流速、气体混合 组分比例。
[0011] 具体的，所述建立流场计算模型，包括：模型网格划分、流动和传热模型选择、湍流 模型选择、材料属性设置、边界条件的设置以及计算方法的选择。
[0012] 具体的，所述的流场计算结果的合理性判断方法为：流场计算结果与所测试的监 测点的流场特性一致。
[0013] 具体的：所述各个部分离散相边界条件包括：离散相浓度及粒度分布，离散相在 入口处的速度、进入方式，几何壁面与离散相的作用方式。
[0014]具体的：所述离散相计算模型中具体的参数包括：离散相在流场中的受力方式、 离散相是否与连续相双向耦合。
[0015] 具体的：所述离散相计算模型中，离散相受力关系为
具体的：离散相计算结果的后处理包括：离散相在的运动轨迹，离散相运动出计算几 何区域的比例、气体流速与不同粒度离散相运动轨迹的关系、捕获离散相壁面的捕获能力。
[0016] 本发明所述的激光器设计方法，其有益效果为： 将计算流体力学技术逐渐应用到工程实践中，利用计算流体力学技术模拟及预测粉尘 颗粒在激光器腔内的运动轨迹，计算机求解依据基本的物理原理建立起的描述流体运动的 偏微分方程的方法，通过此种方法可以显示并预测流场中发生的现象，并且能方便的修改 各种参数，包括计算模型几何参数以及边界参数等，迅速比较各种方案的优劣性，优化设计 方案，从而大大提高设计效率，减少设计周期，降低设计花费。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例激光器设计方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一 步地详细描述。
[0019] 实施例： 请参照图1，本发明所述的激光器设计方法，具体是二氧化碳轴快流激光器内循环系统 的设计方法，依靠计算流体力学离散相模型对于颗粒运动轨迹预测的功能设计二氧化碳轴 快流激光器内腔除尘系统，包括如下步骤： 首先对激光器内腔模型进行分析，将其分为多个单独的计算几何模型，对各个几何模 型进行简化，并依据不同的物理模型特征建立利于计算的几何模型体。
[0020] 依据各个部分的流动特性进行物理模型简化，建立起控制方程。对于放电管部分， 气体处于亚音速流动状态，其控制方程为：
激光器其他部分，包括高速风机出口，其控制方程为： 连续方程出vtp3)二0 动量守恒方程山-- -J!、'J、、 边界条件的测试：根据控制方程分别针对各个模型对应的实际激光器中测试其计算所 需的边界及条件，包括：进口、出口压力，气体流速、气体混合比例等参数。
[0021] 建立流场计算模型，具体的包括：模型网格划分、流动和传热模型选择、湍流模型 选择、材料属性设置、边界条件的设置以及计算方法的选择。
[0022] 利用上述已经建立的流场计算模型计算各个部分的流场，对比测得的监测点的流 场特性，判断流场计算结果的合理性，如果流场计算结果不合理需要返回上述步骤修改计 算模型，如果计算流场结果合理则进行下一步。
[0023] 测试离散相的边界条件，具体包括离散相浓度及粒度分布，离散相速度、进入方 式，几何壁面与离散相的作用方式。
[0024] 选择合适的离散相计算模型，包括离散相在流场中的受力方式，离散相是否与连 续相双向耦合，离散相的湍动特性等。其中，离散相受力关系为 ：
计算离散相模型并且判断计算结果的合理性，若结果不合理返回上步修改离散相计算 模型。
[0025] 依据以上步骤所计算出来的合理结果进行后处理，具体包括：离散相在的运动轨 迹，离散相运动出计算几何区域的比例、气体流速与不同粒度离散相运动轨迹的关系、捕获 离散相壁面的捕获能力等。
[0026] 根据以上计算结果判断设计方案是否最优，如果判断结果仍然有改进空间则返回 第一步，修改设计方案重新按照上述流程计算，如果已经最优则输出各部分的最优设计结 果，定型整体设计方案。
[0027] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种激光器的设计方法，其特征在于，包括： (1) 对初步设计的激光器气路系统进行分析，将具有不同流速特征的部分简化为独立 的几何模型，并依据不同的物理模型特征建立控制方程； (2) 根据（1)中建立起的控制方程，分别测试所需要的边界条件，建立起流场计算模型， 并进行流场计算，后处理并判断流场结果的合理性，如不合理修改流场计算模型再次计 算，如合理进行下一步； (3) 测试离散相的边界条件，选择合适的离散相计算模型，进行离散相计算； (4) 对离散相计算结果进行后处理，判断设计方案是否最优，如最优则结束，如否，则返 回（1)修改设计方案。2. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：所述控制方程中，放电管部分 的气体处于亚音速流动状态，控制方程为：3. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：所述控制方程中，激光器内流 速较低部位的控制方程为：4. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：所述流场计算的边界条件包 括进口压力、出口压力、气体流速、气体混合组分比例。5. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：所述建立流场计算模型，具 体包括：模型网格划分、流动和传热模型选择、湍流模型选择、材料属性设置、边界条件的设 置以及计算方法的选择。6. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：所述的流场计算结果的合理 性判断方法为：流场计算结果与所测试的监测点的流场特性一致。7. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：所述离散相边界条件包括：离 散相浓度及粒度分布，离散相在入口处的速度、进入方式，几何壁面与离散相的作用方式。8. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：所述离散相计算模型中具体 的参数包括：离散相在流场中的受力方式、离散相是否与连续相双向耦合。9. 根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特 征在于：所述离散相计算模型中，离散相受力关系为：10.根据权利要求1所述激光器的设计方法，其特征在于：离散相计算结果的后处理包 括：离散相的运动轨迹，离散相运动出计算几何区域的比例、气体流速与不同粒度离散相运 动轨迹的关系、捕获离散相壁面的捕获能力。
【专利摘要】本发明涉及激光器技术领域，具体公开了一种激光器的设计方法，包括：分析激光器气路系统，将具有不同流速特征的部分简化为独立的几何模型，并依据不同的物理模型特征建立控制方程；根据建立起的控制方程以及测试的边界条件，建立起计算模型，反复计算得到合理的流场；测试离散相的边界条件，选择合适的离散相计算模型，进行离散相计算；依据计算所得的离散相计算结果预测颗粒的运动轨迹优化激光器气路系统的设计方案。本发明将计算流体力学技术逐渐应用到气体激光器设计领域，优化设计方案，有利于加快设计周期、降低设计成本。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105022854
【申请号】CN201410364348
【发明人】姚晓晖, 陈冲, 黎启朝, 王艳春, 朱小明, 张永青
【申请人】东莞市鼎先激光科技股份有限公司
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2014年7月28日