HF化学激光多尺度问题的数值研究 — 宏观流动、光学过程和微观F+H2反应动力学的耦合

The combustion driven HF chemical laser is the highest power laser source in middle infrared bands. However, the wavelengths of the laser output are mostly in the atmospheric absorption band, which is a bottleneck problem of HF chemical laser applications. Therefore, the key of the future development of HF chemical lasers research is how to control the wavelength of laser outputs with the regulation of F+H2 chemical reactions..A multiscale numerical platform of the coupled macroscopic optical, fluid dynamical processes and molecular reaction dynamical processes will be developed in the project. It will explore the correlation between the micro molecular motion and macro flow. With the numerical simulation from reactions to laser outputs, the mechanisms associated between the product vibration and rotational quantum states and HF laser outputs will be clarified. This will be the essential way to regulation the wavelength of laser outputs. The success of the project will be the completion of the multi-scale theory and the analytical method in HF chemical lasers. It promotes the laser design moving from experience to fine quantization. This project will gradually contribute to the meso-science.

燃烧驱动的HF化学激光是目前中红外波段输出功率最高的激光源。但其输出波长大多处于大气吸收带, 这是HF化学激光应用的瓶颈问题。因此通过对F+H2化学反应进行调控，从本质上实现HF化学激光的研究和输出波长控制，是决定其未来发展的关键所在。.本项目采用数值研究手段，构建能耦合宏观光学过程、流体力学和微观分子反应动力学的多尺度计算方法和模拟体系，探索微观分子运动和宏观介质流动两个层次间的关联问题，实现从F+H2化学反应到HF激光输出全过程的数值模拟研究，阐明F+H2化学反应及其产物振动转动量子态布居和HF激光输出之间关联机制，从基元反应出发，实现对HF激光器输出波长的调控。本项目的圆满完成将建立化学激光分子微观尺度运动、反应到宏观输出性能的跨尺度问题的理论和解析方法，大大促进化学激光设计由经验向精细量化过渡, 并为逐步形成有学科特色的介尺度科学作出贡献。

中红波段ＨＦ化学激光是空间突防重要的技术手段。然而燃烧驱动HF化学激光分子布居于不同电子、振动和转动能级，造成输出谱线宽泛并大部分处于大气吸收带，是HF化学激光应用的瓶颈问题。因此，对传统的燃烧驱动HF化学激光进行波长调控（减少布局于大气吸收带的谱线输出，调控于大气窗口谱段）是HF化学激光突破应用瓶颈的关键。要实现HF激光输出波长调控，最科学、最有效的方式就是对F + H2反应进行调控。.为此，项目从化学反应出发，根据微观分子反应动力学的计算基础，建立了首个包含 61 个组分 122630 个基元反应的态-态反应动力学模型，此模型计算结果表明在低阶振动态HF(υ=1, 2, j)转动态布居明显偏离Boltzmann平衡分布。对具有明显非平衡效应的区域，发展了粒子相空间分布函数的玻尔兹曼方程对其粒子行为进行直接描述。宏观尺度上，采用大涡模拟联合波动光学的方法描述HF介质流动、反应、增益产生以及有源谐振腔内激光的产生、放大直至输出的过程，突破了带有复杂化学反应流的计算稳定性和多谱线提取过程竞争模式描述等数值问题，构建了具有自主知识产权的HF多物理场耦合数值研究平台。.项目实现了微观到介观到宏观的反应过程、粒子行为、介质流动和光学效应的关联性研究，为HF特定振转量子态布居的分析和有效选控提供了数据和研究平台，体现了从基元反应出发来研究和调控复杂能源转化过程的科学思路。此平台已应用于化学激光的性能评估和关键部件设计工作中，所设计超音速喷管在一千瓦级的超超混合HF化学激光器中演示验证，单一谱线输出性能良好。随着系统规模和性能要求的不断提升，关键参数均需经过数值评估和优化，项目中所建立的数值研究手段已成HF化学激光研制过程中的必要一环，大大促进了化学激光设计由经验向精细量化过渡，并为逐步形成具有学科交叉特色的介尺度科学作出贡献。