Thermal and hydrodynamical maquette study of water face-cooling for high average power laser amplifiers
Etude thermique et hydrodynamique par maquettes du refroidissement facial par eau d'amplificateurs laser à haute puissance moyenne.
Résumé
Wir berichten über experimentelle optische und thermodynamische Untersuchungen der Konvektionskühlung zur Flächenkühlung von Laserverstärkerscheiben. Model Maquetten werden verwendet, um das Strömungsregime unter laserrelevanten Bedingungen zu untersuchen und Wärmeaustauschkoeffizienten h zu messen. Wir vergleichen daher analytische und numerische Vorhersagen, die auf gängigen Turbulenzmodellen basieren. Das y + -Modell scheint am besten geeignet zu sein, um h im laminaren Regime und RANS im schwach turbulenten Regime zu berechnen. Mittels strioskopischer Bildgebung untersuchen wir die optischen Eigenschaften der Strömungen, insbesondere den Beginn einer Streifeninstabilität, die lange vor dem Übergang zur Turbulenz auftritt. Bei höheren Reynolds-Zahlen wird gezeigt, dass die instabile thermische Schicht auf die Oberfläche zurückgedrängt wird, wodurch die Wellenfrontverzerrungen durch Streifenbildung wirksam unterdrückt werden. Dieses supererzwungene thermische Regime kann bei sehr hohen thermischen Belastungen von großem Interesse sein.
We report experimental optical and thermodynamical studies of convection cooling for face-cooling of laser amplifier disks. Amplifier maquettes are used to explore the flow regime in laser relevant conditions, and to measure heat exchange coefficients h. We thus benchmark analytical and numerical predictions, based on common models of turbulence. The y + model appears best suited to compute h in the laminar regime, and RANS in the weakly turbulent regime. By strioscopic imaging, we examine the optical properties of the flows, in particular the onset of a striation instability occurring well before the transition to turbulence. At higher Reynolds numbers, the unstable thermal layer is shown to be pushed back onto the surface, suppressing effectively the wavefront distortions from striations. This super-forced thermal regime may be of high interest for very high thermal loads.
Nous présentons des études expérimentales optiques et thermodynamiques du refroidissement par convection pour le refroidissement facial de disques amplificateurs laser. Par le biais de maquettes d'amplificateurs, nous explorons les régimes d'écoulements dans des conditions pertinentes aux systèmes lasers, et y mesurons le coefficient d'échange de chaleur h. Nous déterminons ainsi la validité des prédictions analytiques et numériques, basées sur des modèles courants de turbulence. Il en ressort que le modèle y+ est le plus à même pour calculer h dans un régime laminaire, et un modèle RANS en régime faiblement turbulent. Par une imagerie strioscopique, nous étudions les propriétés optiques de l'écoulement, en particulier le développement d'une instabilité de striation se produisant bien en dessous de la transition vers la turbulence. A des nombres de Reynolds plus élevés, nous montrons que la couche thermique instable peut être repoussée contre la surface d'échange, ce qui supprime en pratique les distortions de front d'onde induites par les striations. Ce régime thermique super-forcé pourrait se révéler intéressant dans le case de charges thermiques très élevées.
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