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激光引致水誘導(dǎo)空氣擊穿所獲無(wú)約束流場(chǎng)演化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究
(論文部分內(nèi)容摘抄)
激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理研究很早就受到廣大學(xué)者的關(guān)注，由于研究目的不同，關(guān)注點(diǎn)也不同。水作為一種特殊的物質(zhì),在揭示激光與液體相互作用機(jī)理及其應(yīng)用的研究中成為熱點(diǎn)之一。學(xué)者們?cè)谘芯考す馀c水相互作用時(shí)側(cè)重點(diǎn)各不相同，如激光擊穿水時(shí)的能量沉積現(xiàn)象、動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象(氣蝕空穴等)、力學(xué)效應(yīng)和流場(chǎng)演化等。
近幾十年發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)航天推進(jìn)技術(shù)激光推進(jìn),也因水的廉價(jià)、安全、清潔、容易獲得等特點(diǎn)而對(duì)其青睞有加，美國(guó)、日本和中國(guó)都有文獻(xiàn)報(bào)道水工質(zhì)激光推進(jìn)方面的研究進(jìn)展。這些研究大多只關(guān)注兩個(gè)推進(jìn)性能參數(shù),即沖量耦合系數(shù)和比沖，對(duì)于水工質(zhì)激光推進(jìn)機(jī)理方面的研究較少。研究結(jié)果表明，水作為工質(zhì)時(shí)，所獲沖量耦合系數(shù)比空氣作為工質(zhì)時(shí)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá)幾千N/MW，而大量濺射水使得其比沖只有10s的量級(jí)。這些參數(shù)使得水工質(zhì)激光推進(jìn)利弊各半，即擁有高沖量耦合系數(shù)的同時(shí)，所獲比沖太低。為優(yōu)化水工質(zhì)激光推進(jìn)性能，必須深入揭示其機(jī)理,而對(duì)流場(chǎng)演化過(guò)程的研究是探尋水工質(zhì)激光推進(jìn)機(jī)理的重要內(nèi)容之一。
利用（德國(guó) Excelitas PCO 公司HSFC-PRO 四通道像增強(qiáng)器相機(jī)）高速相機(jī)和紋影系統(tǒng)，拍攝到了CO激光與自來(lái)水相互作用時(shí),水誘導(dǎo)空氣擊穿后所形成流場(chǎng)的演化照片，并對(duì)波系結(jié)構(gòu)、激波速度和波陣面壓強(qiáng)進(jìn)行分析,獲得了一些對(duì)水工質(zhì)激光推進(jìn)研究有益的認(rèn)識(shí)。
實(shí)驗(yàn)裝置：
實(shí)驗(yàn)裝置主要包括激光加載系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、2個(gè)脈沖發(fā)生器、2個(gè)光電二極管、德國(guó) Excelitas PCO 公司pco.dcam 像增強(qiáng)器相機(jī)、閃光源和一個(gè)焦距為300mm砷化鎵透鏡等，目前實(shí)驗(yàn)室pco.dcam型號(hào)數(shù)字式超高速相機(jī)短曝光時(shí)間為3ns，拍攝間隔短為1ns，可以連續(xù)拍攝4幅照片。為完整研究等離子體點(diǎn)火和激波演化的全過(guò)程,需要有效拼接多組照片，以形成流場(chǎng)演化的系列照片，這就對(duì)時(shí)序控制和點(diǎn)火特性的重復(fù)性提出了嚴(yán)格的要求。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了兩種現(xiàn)象：
1、擊穿位置發(fā)出明亮的光，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),濺射到透鏡上的水滴細(xì)小目分布均勻；
2、擊穿位置發(fā)出的光比較暗，濺射到透鏡上的水滴較大，且分布非常不均勻。
可以判斷，與前者相比,后者濺射出的水量較大。根據(jù)后續(xù)的研究結(jié)果,造成兩種現(xiàn)象的原因是：前者為水誘導(dǎo)的空氣擊穿，擊穿點(diǎn)在水面上方，濺射的水是空氣中爆轟波與水相互作用所致，此時(shí)水中的激波強(qiáng)度較弱；后者為水燒蝕,燒蝕發(fā)生在從水面到水面下幾微米處(依賴(lài)于液體對(duì)激光的吸收深度)，燒蝕產(chǎn)生的氣蝕空穴破裂時(shí)使得大量水從自由面濺射出去。
圖為實(shí)驗(yàn)獲得的一組較完整的紋影照片20.0~29.0us之間的4幅照片與前面的流場(chǎng)相比，有一定的不連貫性.
這是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激光能量有一定的波動(dòng)，這也是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，產(chǎn)生誤差的一個(gè)因素。
德國(guó) Excelitas PCO 公司的HSFC-PRO像增強(qiáng)相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，將可實(shí)現(xiàn)高效的單光子檢測(cè)，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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