虚拟实验平台的构建与应用

基于化学激光器运行过程中涉及的物理过程和化学反应过程构建数字理论模型，通过将各分系统的理论模型在超级计算机中进行宏观整合，搭建多场耦合虚拟实验平台。该虚拟实验平台是将理论过程与实验过程连接的桥梁，是对复杂物理化学过程与多场耦合过程认知的验证手段。激光器在真实条件下出光过程的虚拟化重现，可以为科研工作者揭示更为直观的动力学表象和复杂机制下的内在关联。利用该虚拟实验平台探索各分系统之间的内在联系，可以实现化学激光器在更广范畴下的全局分析和最优开发设计。该平台仍需不断补充和完善，用于对关键过程的深入细致研究；同时，该平台中核心模块还可移植到其他相关领域，如化学工程、光学工程等。

多物理场耦合计算平台

针对实验工程包含的多种物理过程相互关联机制，开发多学科知识交叉应用的综合技术。基于有限体积法、有限元法、快速傅里叶变换、蒙特卡罗、离散玻尔兹曼等计算方法，在复杂系统的设计阶段，建立叠加流动、光学、结构、化学、电磁场等过程的耦合计算方法，开发了我国首套具有自主知识产权的全三维、全尺寸化学激光器的多物理场耦合数值评估和设计平台。研究流-固、流-光、热-固等相互作用机制对实际工程实验的影响效应，实现对实际工程中化学反应流、固体形变、颗粒污染、光学振荡等过程的评估及关键问题的辨析/优化设计。

光学过程研究

针对激光相关的光束传输问题，开展数值模拟研究，探索影响光束传输特性的关键因素。开展关键光学元件的建模及优化设计研究，针对激光的发展趋势，以及面临的新形势新问题，探索满足未来需要的新颖光学元件。研究并发展新体系激光中的关键技术，提升新型激光体系的应用能力。已经建立了基于几何光学的计算模型，以及基于波动光学的计算模型，计算模型具备接口程序，可以与流场计算相互交换数据，以实现激光器性能的评估。已经具备激光器光学谐振腔、光学仪器、非球面光学元件、以及微光学元件等的设计能力。

超音速流场数值仿真

通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。针对工程应用中的高超声速流动问题，如飞行器、导弹、再入返回舱等外流场以及化学激光器中流场进行计算分析。通过计算流体力学手段，对超音速流场进行细致刻画，对流场中出现的激波、涡以及复杂流动结构如边界层与激波的相互作用等进行模拟，进而研究复杂流动过程中流场结构以及飞行器、管道等壁面的热流、阻力等宏观力学特性。对化学激光器运行过程的化学反应过程进行数值仿真，研究化学激光器喷管、光腔以及扩压器的流场中物质成分、速度、温度以及压强的变化的过程。

热力学计算

关注在化学反应过程中产生的物质热运动的宏观性质和规律，探索反应过程的物质传递和能量传递机制，构建相应的计算模型，并分别发展微尺度和宏尺度算法。具体实现途径是，采用计算流体力学方法、分子动力学、粗粒化方法等建立化学反应过程的数值模型，确认数值模型可靠性的基础上，进行化学反应的传热传质机理分析，实现相关化学反应器和分离器的设计和放大。已经建立了气固、气液以及气固液反应的传热传质过程的数值模型，开展了多孔介质热沉的传热过程、固定床反应器燃烧过程、大型化工换热器传热过程、化学吸附传质过程的数值仿真研究。通过数值平台，实现化工换热技术开发、化工反应传质工艺和反应器设计和优化。

化学反应机理研究

通过采用化学动力学分析与反应机理简化数值方法，建立优化燃烧驱动氟化氢和溴化氢化学激光器非平衡转动机理数值模型，探究激光器非平衡转动与流动过程的耦合机制，进一步优化激光器内部最佳反应参数。同时，针对高超速激光器内部的强激波与反应动力学强耦合机制，开发多尺度数值模拟仿真平台，解决低温、低压、高超声速体系中燃烧动力学行为和化学反应动力学的耦合问题。最终实现从微观流动尺度和化学反应动态学角度完成燃烧驱动化学激光器的关键参数设计，实现激光器高效输出。