جریان جت و نازل جریان جت در پنجره‌های جریان یکنواخت و گردابه آزاد با لیزر گازی

مدل‌های ریاضی و ابزارهای محاسباتی برای طراحی، تحلیل و پیش‌بینی جریان جت مافوق صوت و نازل در پنجره‌های آیرودینامیکی لیزرهای گازی با توان بالا در نظر گرفته می‌شوند. معادلات اویلر – حالت ثابت که امواج ضربه‌ای قوی را توصیف می‌کنند، ناپیوستگی تماسی، امواج رقیق و برهم کنش‌های آن‌ها با روش محدود حجم محدود و روش راهپیمایی فضاییمی‌شوند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی جریان مافوق صوت حالت پایدار در نازل‌های و زیر و بیش از حد، برای نسبت‌های مختلف فشار در محفظه لیزر و اتمسفر محیط به دست آمده‌اند. میدانهای جریان متناظر با پروفیل سرعت یکنواخت و پروفیل سرعت آزاد گردابه در مرز خروجی نازل مقایسه شده‌است. ابزارهای ثبت نازل براساس حل عددی یک توالی از مسایل مستقیم توسعه داده می‌شوند. عملکرد آیرودینامیکی این پنجره بر حسب فشار محفظه شبیه‌سازی شده و فشار داخل نازل منبع آزاد مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. مشخصه پشتیبان فشار برای پنجره آیرودینامیکی با تعیین نسبت فشار محیط به محفظه در برابر فشارهای عرضه پنجره آیرودینامیکی ایجاد می‌شود.

Highlights•Simulation of supersonic jet flows in aerodynamic windows is performed.•Results are presented for under-expanded and over-expended jets.•Aerodynamic performance is evaluated for free-vortex supply nozzle.•Study provides information for design of aerodynamic windows.AbstractThe mathematical models and computational tools for design, analysis and predictions of supersonic jet and nozzle flows in the aerodynamic windows of high-power gas lasers are considered. The steady-state Euler equations describing strong shock waves, contact discontinuities, rarefaction waves and their interactions are solved with the finite-volume solver and space-marching method. The results of numerical simulation of steady-state supersonic flows of inviscid compressible gas in nozzles and under- and over-expanded jets are obtained and analyzed for different pressure ratios in the laser cavity and ambient atmosphere. The flowfields corresponding to the uniform velocity profile and free-vortex velocity