1、軸快流CO2激光器是目前大功率激光工業(yè)加工應用的主力光源，隨著加工工業(yè)的發(fā)展，不僅要求激光器具有更高功率，而且要求具有體積小、重量輕的緊湊結構。實現這一目標的關鍵在于氣體循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設計，其核心在于熱交換以及流場的優(yōu)化。本文針對高功率軸快流CO2 激光器的熱交換以及流場特性對激光器實現高效、穩(wěn)定的激光輸出以及長時間運行穩(wěn)定性的影響進行了研究，將氣體循環(huán)系統(tǒng)分成了四個主要區(qū)域，就決定熱交換過程以及流場分布的三個關鍵區(qū)域：放電區(qū)域、熱交換

2、區(qū)域、風機入口流道區(qū)域進行了分析研究。論文的主要研究工作如下：
　　 ⑴研究了軸快流CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)的第一個關鍵區(qū)域—放電區(qū)域內部流場的優(yōu)化方法。比較了不同入流噴嘴偏轉角度的放電管數值模擬結果，主要將分析重點放在沿管長方向上的速度和湍流強度分布，以及橫截面上的速度和湍流強度分布上。可以看出工作氣體的渦流在陽極區(qū)是有利的，但在直管段要盡量抑制；入流噴嘴偏轉45角，可以實現管內最利于穩(wěn)定輝光放電的氣體流動狀態(tài)，既在陽極區(qū)產生

3、強湍流流動，又保證了直管段均勻、穩(wěn)定的流動。為了提高放電管的輸出功率，將管徑由19 mm增加到23 mm，需要通過合理的設計來消除流道變大帶來的流動不穩(wěn)定性影響。通過比較不同入流噴嘴尺寸設計的23 mm 放電管的內部流場分布，得到了優(yōu)化設計的原則，即放電管管徑和入流噴嘴直徑存在一個最佳的比值R=1.5最優(yōu)，增加放電管直徑時需要按照此比值來確定入流噴嘴尺寸。并且進一步研究了入流噴嘴尺寸對于氣體流場分布均勻性和穩(wěn)定性的影響。
　　

4、⑵針對激光器熱交換過程的特點，比較了適用于軸快流CO2激光器的各種換熱器的主要特點及優(yōu)劣，并最終選擇了矩形翅片管式換熱器作為所研制激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)中的熱交換部件。并以7 kW 軸快流CO2激光器為例，給出了此類換熱器結構參數設計、換熱能力以及流阻計算的傳統(tǒng)經驗公式方法，通過這種方法設計的熱交換設備已經運用于所研制的7 kW 軸快流CO2激光器，效果良好，在輸出功率達到8 kW以上時也能很好的滿足換熱需求。
　　 ⑶研究了軸快流

5、CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)的第二個關鍵區(qū)域，熱量交換區(qū)域的數值模擬方法。通過分析軸快流CO2激光器內部熱交換過程的特點，得到了幾何模型、物理模型以及數學模型簡化和近似的方法，進行了氣體流場以及熱交換過程的數值模擬的仿真。比較數值模擬的結果與經驗公式的計算結果，得到了較好的一致性：換熱量相差3.5％、壓力損失相差僅2.9％，驗證了本課題采用的數值模擬方法是合理且符合實際情況的。通過分析、比較不同管排布置的換熱器數值模擬結果，得到了換熱器內部

6、流場的分布特點：壓強損失與沿氣體流動方向上管排數的增加而增大；管子迎風側換熱效果最好，背風側換熱效果最差，為了提高換熱器換熱效果，要盡量抑制背風側的死區(qū)。根據以上特點，為4 kW 軸快流CO2 激光器選擇了最為合理的管排布置，保證了所需的換熱量，也滿足了壓阻盡量小的設計原則。解決了激光器的熱交換設備設計計算繁瑣且靈活性不高的問題，為其提供了準確、高效的新方法。
　　 ⑷研究了軸快流CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)研究的第三個關鍵區(qū)域，風

7、機入口流道區(qū)域。分析了熱交換過程以及流場分布的數值模擬方法，計算得到了區(qū)域內部氣體流場的詳細分布。首先針對傳統(tǒng)結構進行數值模擬研究，計算結果驗證了數值模擬的合理性，根據傳統(tǒng)結構的內部流場分析可以得到優(yōu)化設計原則：進口氣體的速度和溫度都較高，因此入口端需要保證足夠大的空間，以利于高速高溫氣體充分擴散到換熱器的整個翅片區(qū)域；風機出口的渦流區(qū)域，導致了出口端流動阻力增加，壓強降低也比較明顯，因此，出口端盡量不要有障礙物遮擋，以免增加壓阻。根據

8、此原則，設計了緊湊型的風機入口流道結構。通過分析比較兩個典型的緊湊型流道結構的數值模擬結果，為所研制3 kW 軸快流CO2激光器確定了最優(yōu)的風機入口流道結構，優(yōu)化后的緊湊型結構不僅比傳統(tǒng)結構節(jié)省了34％的空間，流阻減小了6％，并且可以實現3.6 kW的激光輸出，最高電光轉換效率達到23.4％。論文的研究工作，改進了傳統(tǒng)只能采取經驗和試錯的軸快流CO2激光器氣體循環(huán)系統(tǒng)設計方法，為熱交換以及流場的優(yōu)化設計提供了理論指導，縮減了設計周期、節(jié)