对流冷却无声放电CO₂激光器是一种新颖的高性能、低成本工业CO₂激光器,由于采用的是方向相反的对流冷却横向流动方式,对流场均匀性以及换热性能的稳定性要求较高。为了得到高功率、高光束质量以及性能稳定的激光输出,对激光器流道关键结构进行了优化,使放电区流场均匀性得到一定的提高,并设计了激光器的换热系统,引入涡流发生器对换热器进行强化换热。主要研究工作包括:建立了激光器流道结构计算模型,结合边界层理论与射流流动理论对激光器流道导流装置进行优化设计,降低了流道的压损,减小了风机负荷,增大了体积流量,从而可以使激光器换热性能和转换效率得以提升,并且得到的放电区流场横向场均匀性提高了1.9%,纵向均匀性提高了4.5%,对激光器输出的光束质量以及激光功率的稳定性会有一定的提升。利用换热器计算基本理论公式,在Visual Studio平台上建立了换热器计算的图形用户界面,便于对不同结构的激光器换热器进行理论设计。并且对理论设计的换热器进行数值建模,模拟结果与理论计算值误差较小,在10%以内。在数值模拟的基础上,采用理论计算与数值模拟相结合的方法对换热系统进行了优化设计,新型换热系统小幅提高了风机工作区域的温度,风机仍然处于正常工作温度区间内,与此同时换热器结构得到了一定简化,整体换热器压降降低了14%。介绍了强化传热理论,利用一个开环的风洞实验平台研究了长方形小翼涡流发生器的强化传热性能,并且实验验证了数值模拟数据的可靠性。利用数值模拟的方法对比了长方形、梯形和三角形三种涡流发生器的强化传热性能,并且针对换热性能较好的梯形小翼涡流发生器高长比过长的特点进行了改进,提出了一种新型的梯形双小翼涡流发生器,其在低雷诺数条件下综合换热性能高于梯形单小翼涡流发生器,并且和平直翅片相比,换热量提高了16%。