최근 중국과학원 허페이재료연구소 레이저센터의 카스토르량(Castor Liang) 팀은 코로나 방전 유체 제어 및 가스 레이저 시스템에서의 응용에 대한 연구를 수행하여 다중 니들 코로나 방전 시나리오에 적용 가능한 전기장-유동장 결합 분석 모델을 제안하고 다중 니들 전기 유체 펌프의 유량 분포 특성과 제어 법칙을 밝혀내며 가스 레이저 시스템의 비기계적 매체를 초소형화하는 데 사용할 수 있는 전기 유체 펌프를 설계했습니다. 전기 유체 펌프의 설계는 초소형 및 소형화된 가스 레이저 시스템의 비기계적 매체 순환 구동에 사용할 수 있으며, 특수 시나리오에서 초소형 가스 레이저 시스템을 적용하는 데 있어 어려움을 극복합니다. 연구 결과는 유체 역학 분야의 최고 국제 저널인 Physics of Fluids에 게재되었으며 저널의 Editor's Pick으로 선정되었습니다.
전통적인 가스 레이저는 기계적 순환 장치를 채택하여 고속 매체 순환을 형성하는데, 이는 대용량, 강한 진동 및 심각한 소음이 특징이며, 일부 특수 응용 시나리오와 초소형 가스 레이저 시스템의 응용에는 적합하지 않습니다. 전기 유체 역학(EHD) 펌프는 코로나 방전을 통해 "이온화 바람"을 생성하는데, 이는 가볍고, 고성능이며, 저비용이라는 장점이 있습니다. 전기 유체 역학(EHD) 펌프는 코로나 방전을 통해 "이온화 바람"을 생성하는데, 이는 가볍고, 진동이 없고, 소음이 없다는 장점이 있으며, 소형화된 가스 레이저 시스템에서 기존의 기계적 순환 장치를 대체하여 가스 레이저의 응용 분야를 확장할 수 있습니다.
그림. 다중 바늘 EHD 펌프 흐름 프로파일의 에지 값 문제에 대한 계산 프레임워크
연구자들은 다중 니들 코로나 방전 EHD 펌프의 유동 분포 특성과 그 유량 제어 문제를 연구했습니다. 첫째, 다중 니들 코로나 방전 시스템에 적용 가능한 비선형 정상 상태 전기 유체 역학 단순화 방정식은 해당 물리적 모델과 다중 물리적 필드 결합 메커니즘을 확립하여 도출합니다. 둘째, 유동 속도 프로파일의 비선형 미분 방정식의 에지 값 문제에 대한 고정밀 및 빠른 수치 계산 알고리즘을 설계하여 전압 변화와 전극 간격 매개변수의 함수로서 정상 상태 유동 속도의 제어 특성을 정량적으로 계산합니다.
결과는 전압 매개변수가 멀티 니들 EHD 펌프의 정상 상태 유량 제어에서 전극 간격보다 더 지배적이며, 시스템의 최대 유량과 평균 유량 모두 전압 제어를 통해 초선형 진화 법칙을 보인다는 것을 보여줍니다. 전극 간격이 1cm인 멀티 니들 EHD 펌프의 설계에서 5000V의 작동 전압을 제공함으로써 최대 가스 유량 0.82m/s를 얻을 수 있으며, 이는 소형 가스 레이저 시스템의 매체 순환 요구 사항을 충족하고 주 전극에서 정상적인 글로우 방전을 충족하며 특수 시나리오에서 초소형 가스 레이저 시스템의 적용을 확장할 수 있습니다.
그림. 다중 니들 EHD 시스템의 유동장 분포: (a) 양극 전압이 4000볼트일 때; (b) 양극 전압이 4500볼트일 때; (c) 양극 전압이 5000볼트일 때
석사과정 학생인 Jinliang Han이 논문의 첫 번째 저자였고, 연구원인 Castor Liang이 논문의 교신 저자였습니다. 이 연구는 중국과학원 청년 혁신 촉진 협회, 중국과학원 연구 기기 및 장비 개발 프로그램, 중국과학원 허페이 재료 연구소 안광 연구소 청년 팀 프로그램의 지원을 받았습니다.
