安光所突破特殊场景下超紧凑气体激光系统应用难点
时间：2024-07-12 作者：韩金亮、梁勖
近日，中国科学院合肥物质院安光所激光中心梁勖团队针对气体激光系统中电晕放电流体控制及其应用开展研究，提出一种适用于多针电晕放电场景的电场-流场耦合分析模型，揭示了多针电流体泵的流速分布特性及其受控规律，设计的电流体泵可用于超紧凑小型化气体激光系统的非机械式介质循环驱动，突破了特殊场景下超紧凑气体激光系统应用难点。相关研究成果发表于流体力学领域国际顶级刊物Physics of Fluids，并被期刊遴选为Editor's Pick（编辑精选）。
传统的气体激光器采用机械式循环装置形成高速介质循环，存在体积大、振动强烈、噪声严重等特点，在一些特殊应用场景以及超紧凑气体激光系统应用中并不适用；电流体动力学（Electrohydrodynamics, EHD）泵通过电晕放电产生“离子风”，具有轻量化、无振动、无噪声等优势，可在小型化气体激光系统中取代传统机械式循环装置，拓展气体激光应用。
研究人员针对多针电晕放电EHD泵的流动分布特性及其流速控制问题开展研究。首先通过建立相应的物理模型，构建多物理场耦合机制，推导出适用于多针电晕放电系统的非线性稳态电流体简化方程；其次针对流速剖面的非线性微分方程边值问题设计高精度、快速的数值计算算法，定量计算稳态流速随电压与电极间距参数变化的受控特性。
研究结果表明，在多针EHD泵的稳态流速控制中，电压参数相比电极间距更占主导地位，系统的最大流速和平均流速随电压控制均呈超线性演化规律。在电极间距为1厘米的多针EHD泵设计方案中，提供5000伏的工作电压即可获得0.82米/秒的最大气体流速，可达到小型气体激光系统中介质循环要求，满足主电极正常辉光放电，拓展特殊场景下超紧凑气体激光系统应用。
硕士研究生韩金亮为论文的第一作者，梁勖研究员为论文的通讯作者。本研究获得了中国科学院青年创新促进会、中国科学院科研仪器设备研制项目、中国科学院合肥物质院安徽光机所青年团队项目等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0217043
多针EHD泵流速剖面边值问题的计算框架
多针EHD系统的流场分布：
(a)当阳极电压为4000伏时；(b)当阳极电压为4500伏时；(c)当阳极电压为5000伏时