一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法

本发明涉及结构设计，具体涉及一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法。

背景技术：

1、强激光照射纳米颗粒后探测光电子与光离子的动量分布，是纳米颗粒与超快激光相互作用机理的重要研究手段。气动透镜将纳米颗粒气溶胶从大气环境中输送到高真空的腔体中，是物理领域与工程领域中核心的装置。气动透镜由一系列孔径依次缩小的薄板孔组成，其工作原理是：载有纳米颗粒的气流经过气动透镜的多级腔室时，流经透镜孔后会经历一系列先收缩再扩张的过程，由于纳米颗粒的惯性远大于载气分子，经过透镜后，纳米颗粒将偏离载气分子的流动轨迹而向气流的中心轴线积聚，从而剥离气体，尽可能保留纳米颗粒并输送至高真空腔体中。

2、气动透镜结构设计的合理性是提高输送效率的关键之一。现有技术中，采用基于流体力学的计算方法对气动透镜进行设计，但该方法仅考虑了气体的行为，忽略或者将纳米颗粒的影响简化为一个常数，通过气流的流场分布，判断结构的优劣，导致纳米颗粒非常容易聚集在气动透镜的腔体中，严重降低了纳米颗粒输送效率。

3、亟需提供一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，提高考虑纳米颗粒对流场分布的影响，以提高纳米颗粒的输送效率。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，用以解决现有技术中存在的忽略或者将纳米颗粒的影响简化为一个常数，导致气动透镜的纳米颗粒输送效率较低的技术问题。

2、一方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，包括：

3、构建气动透镜内载气的流体力学模型以及纳米颗粒的离散元模型；

4、定义所述载气的初始载气参数、所述纳米颗粒的初始颗粒参数以及迭代终止条件；

5、在新时间步长内，基于所述流体力学模型和所述初始载气参数确定载气更新参数，基于所述离散元模型和所述初始颗粒参数确定颗粒更新参数；

6、确定所述载气与所述纳米颗粒之间的相互影响，并基于所述相互影响和所述颗粒更新参数对所述载气更新参数进行调整，获得载气调整参数；

7、当满足所述迭代终止条件时，基于所述载气调整参数确定所述气动透镜的设计参数。

8、在一种可能的实现方式中，所述载气与所述纳米颗粒之间的相互影响包括所述载气对所述纳米颗粒的第一影响以及所述纳米颗粒对所述载气的第二影响，则所述确定所述载气与所述纳米颗粒之间的相互影响，并基于所述相互影响和所述颗粒更新参数对所述载气更新参数进行调整，获得载气调整参数，包括：

9、将所述第一影响施加于所述纳米颗粒以调整所述颗粒更新参数，获得颗粒调整参数；

10、基于所述颗粒调整参数和所述第二影响调整所述载气更新参数，获得所述载气调整参数。

11、在一种可能的实现方式中，所述初始载气参数包括载气初始速度场和载气初始压力场，所述初始颗粒参数包括颗粒初始位置和颗粒初始速度，所述迭代终止条件为迭代时长。

12、在一种可能的实现方式中，所述流体力学模型为：

13、

14、

15、

16、式中，为计算单元中载气的体积；为载气的密度；为载气速度；为计算单元上的压强；为载气粘性应力张量；为重力加速度；为载气与纳米颗粒之间的相互作用力；为计算单元的体积；为拖曳力；为虚拟质量力；为马格努斯力； n为计算单元的总个数。

17、在一种可能的实现方式中，所述离散元模型为：

18、

19、

20、

21、

22、式中，为纳米颗粒i的质量；为纳米颗粒i的加速度；为纳米颗粒i的体积；为其他纳米颗粒对纳米颗粒i的法向力；为纳米颗粒i的转动惯量；为纳米颗粒i的转动加速度；为作用在纳米颗粒i上的切向外力；为其他纳米颗粒对纳米颗粒i的切向力；为法向刚度系数；为法向阻尼系数；为法向相对位移；为法向位移的速率；为切向刚度系数；为切向阻尼系数；为切向相对位移；为切向位移的速率。

23、在一种可能的实现方式中，所述流体力学模型和所述离散元模型均包括经验参数和待测定参数，则在所述在新时间步长内，基于所述流体力学模型和所述初始载气参数确定载气更新参数之前，还包括：

24、基于文献确定所述经验参数，并基于沙堆实验和/或风洞实验确定所述待测定参数；

25、其中，所述待测定参数包括纳米颗粒之间相互作用参数、纳米颗粒与气动透镜腔体之间的相互作用参数以及纳米颗粒与载气之间的相互作用参数。

26、在一种可能的实现方式中，所述强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法还包括：

27、基于所述风洞实验确定与经验参数对应的参考参数；

28、当所述经验参数与所述参考参数不一致时，将所述参考参数作为所述经验参数。

29、另一方面，本发明还提供了一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计装置，包括：

30、模型构建单元，用于构建气动透镜内载气的流体力学模型以及纳米颗粒的离散元模型；

31、参数定义单元，用于定义所述载气的初始载气参数、所述纳米颗粒的初始颗粒参数以及迭代终止条件；

32、参数更新单元，用于在新时间步长内，基于所述流体力学模型和所述初始载气参数确定载气更新参数，基于所述离散元模型和所述初始颗粒参数确定颗粒更新参数；

33、参数调整单元，用于确定所述载气与所述纳米颗粒之间的相互影响，并基于所述相互影响和所述颗粒更新参数对所述载气更新参数进行调整，获得载气调整参数；

34、设计参数确定单元，用于当满足所述迭代终止条件时，基于所述载气调整参数确定所述气动透镜的设计参数。

35、另一方面，本发明还提供了一种气动透镜，用于基于所述强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法设计，所述强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法为上述任意一种可能的实现方式中所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法。

36、另一方面，本发明还提供了一种结构设计系统，包括存储器和处理器，其中，

37、所述存储器，用于存储程序；

38、所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述任意一种可能的实现方式中所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法中的步骤。

39、本发明的有益效果是：本发明提供的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，通过构建载气的流体力学模型和纳米颗粒的离散元模型，实现在气动透镜结构设计过程中，除了考虑载气这一流体的流体行为外，还考虑了纳米颗粒的颗粒运动，相较于现有技术中考虑单一的流体行为，避免了纳米颗粒在气动透镜腔体内的聚集，可提高确定出的气动透镜结构设计参数的可靠性，进而提高气动透镜中纳米颗粒的输送效率。

40、进一步地，本发明在确定气动透镜的设计参数时，还确定了载气和纳米颗粒之间的相互影响，即：考虑了载气和纳米颗粒之间的相互耦合、相互关联，进一步提高了纳米颗粒的输送效率。

技术特征：

1.一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，其特征在于，所述载气与所述纳米颗粒之间的相互影响包括所述载气对所述纳米颗粒的第一影响以及所述纳米颗粒对所述载气的第二影响，则所述确定所述载气与所述纳米颗粒之间的相互影响，并基于所述相互影响和所述颗粒更新参数对所述载气更新参数进行调整，获得载气调整参数，包括：

3.根据权利要求1所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，其特征在于，所述初始载气参数包括载气初始速度场和载气初始压力场，所述初始颗粒参数包括颗粒初始位置和颗粒初始速度，所述迭代终止条件为迭代时长。

4.根据权利要求1所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，其特征在于，所述流体力学模型为：

5.根据权利要求4所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，其特征在于，所述离散元模型为：

6.根据权利要求1所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，其特征在于，所述流体力学模型和所述离散元模型均包括经验参数和待测定参数，则在所述在新时间步长内，基于所述流体力学模型和所述初始载气参数确定载气更新参数之前，还包括：

7.根据权利要求6所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，其特征在于，所述强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法还包括：

8.一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计装置，其特征在于，包括：

9.一种气动透镜，其特征在于，用于基于所述强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法设计，所述强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法为权利要求1-7中任意一项所述的强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法。

10.一种结构设计系统，其特征在于，包括存储器和处理器，其中，

技术总结
本发明提供了一种强激光照射纳米颗粒的气动透镜结构设计方法，属于气动透镜结构设计技术领域，包括：构建气动透镜内载气的流体力学模型以及纳米颗粒的离散元模型；定义载气的初始载气参数、纳米颗粒的初始颗粒参数以及迭代终止条件；在新时间步长内，基于流体力学模型和初始载气参数确定载气更新参数，基于离散元模型和初始颗粒参数确定颗粒更新参数；确定载气与纳米颗粒之间的相互影响，并基于相互影响对载气更新参数进行调整，获得载气调整参数；当满足迭代终止条件时，基于载气调整参数确定气动透镜的设计参数。本发明在气动透镜结构设计过程中，同时考虑了流体行为和颗粒运动，提高了气动透镜中纳米颗粒的输送效率。

技术研发人员：张庆斌,黄浩,李思源,陆培祥
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23