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《国防科学技术大学》 2004年
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热化学非平衡流及其辐射现象的实验和数值计算研究

柳军  
【摘要】:本文工作主要涉及高超声速热化学非平衡流及其辐射特性的实验和数值计算研究。 实验研究工作为:1)、使用中国空气动力研究与发展中心(CARDC)再入物理弹道靶设备和脉冲曝光时间5ns的Nd-YAG激光器,进行了高超声速钢球模型激波脱体距离的测量实验。在国内第一次得到了非平衡流无烧蚀激波流场清晰的有限条纹激光干涉照片和阴影照片,测量得到高精度的头部激波脱体距离。测量误差约为5%,模型飞行速度5.0~5.5km/s,靶压10~80mmHg。使用了CFD及CFI技术辅助设计和确定实验方案。2)、测量了多个状态的高超声速球模型非平衡流场的可见光辐射强度,并对实验技术和方法进行分析研究。测量采用双狭缝式可见光辐射计,中心波长位于绿光波段(517.8nm、519.8nm),半宽度为6.6nm。球模型飞行速度为4.8~5.7km/s,靶压10~80mmHg。 数值研究工作包括了热化学非平衡流场及其辐射特性的计算。其中,热化学非平衡流数值模拟工作为: 1)、对热化学非平衡流的物理化学模型进行分析,选择Park双温度模型、Gupta空气11组元化学反应模型及相应的输运模型、振动离解耦合模型、能量交换模型耦合Navier-Stokes方程组求解流动问题。2)、对NND格式、Roe格式、AUSM类格式以及相应的数值计算技术(包括加速收敛技术、MUSCL插值方法、熵修正技术、源项对角隐式处理等)在轴对称、三维热化学非平衡流数值模拟中的应用进行了比较和分析。结果表明,AUSM类格式性能最优,LUSGS隐式处理方法计算效率较高。提出了一种新的熵修正方法,与网格无关并可减少对边界层解的影响。3)、编制完成包含上述物理化学模型及数值技术的热化学非平衡流计算程序TCNEQ(2D、3D)。程序具有良好的结构网格适应性及模块化程度,气动力及热流计算结果与文献吻合,通过了算例考核及实验验证。4)、在国内第一次进行了球模型激波脱体距离实验和计算的高精度对比研究,并使用CFI技术进行了全流场的实验验证。采用多种气体模型计算实验状态的球模型激波脱体距离,并采用CFI技术处理为阴影图和有限干涉条纹图,直接与实验照片对比进行流场验证。5)、采用TCNEQ3D程序对Apollo飞船返回舱大攻角全流场(含底部及近尾流区域)进行数值模拟;计算了返回舱气动力系数,并与文献及实验结果进行对比;分析表明,非平衡现象可能是造成返回舱飞行实验数据与风洞实验数据不一致的原因之一。 国防科学技术大学研究生院学位论文 热化学非平衡流辐射特性的数值计算工作有如下部分: 1、根据热空气辐射的三种类型,综合了量子力学、原子分子物理学以及光 谱学的相关知识,分别对空气组元的连续谱辐射、原子线辐射和分子带辐射机 制进行了详细的分析和讨论,给出了热化学非平衡态下求解辐射发射系数和吸 收系数(含诱导辐射)、的相关公式。以本文实验状态为算例条件,在求得热化 学非平衡流场数值解的基础上,采用“逐线计算”的精细辐射模型,在波长 ZOOOA~S0000A的范围内对原子、分子跃迁各机制详细计算辐射的谱发射系数 和谱吸收系数。 2、发展了精细光谱辐射模型的计算与应用分析技术,编制了适用于弹道靶 高温气体辐射研究的“辐射计测量数值模拟程序”,在国内第一次应用于弹道 靶光辐射实验的分析研究。通过构造规则的“辐射计算网格”,进行三维空间 的数据重构,并数值积分求解辐射输运方程(Radiative Transfer Equation),实现 了弹道靶模型光辐射测量过程的数值模拟。计算可以得到流场光辐射信号在模 型穿越辐射计视场范围时的完整时间历程,从而实现了可见光辐射实验测量与 数值计算的高精度对比。计算并分析了半阴影区和壁面温度对测量结果的影响 程度,模型可见光辐射数值计算结果与实验测量数据基本一致。 综合上述研究工作,分别完成了热化学非平衡流场数值模拟程序 TcNEQ(2D、3D)、高温空气光谱辐射特性计算程序、高超声速模型流场光辐射 信号计算程序,三个部分形成了一套完整的、功能齐全的高温气体动力学计算 分析软件系统。其中,TCNEQ系列程序可以选择采用各种数值计算技术,应用 于不同热化学模型、复杂外形飞行器的全流场数值模拟和气动力、气动热计算 与分析;高温空气光谱辐射特性计算程序和三维流场光辐射信号计算程序可以 对飞行器本体及绕流场的光辐射特性进行计算与分析。该软件系统在飞行器外 形设计、目标识别与跟踪、通讯、突防、流场特性研究等方面都可发挥作用。 流场光辐射信号计算程序经过改进,也可以应用于其他实验设备(如激波管) 的高温气体辐射特性研究,对相关实验方法的设计、实验结果的分析整理及型 号工程应用有重要的实用意义。 关键词:高超声速,热化学非平衡,辐射,数值模拟,弹道靶实验 第Xll页
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:O363

【引证文献】
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2 柳军;石安华;乐嘉陵;;弹道靶中球模型非平衡可见光辐射的测量[J];实验流体力学;2006年02期
3 曾明,林贞彬,冯海涛,瞿章华;高超声速喷管非平衡尺度效应的数值分析[J];推进技术;2005年01期
4 常雨;陈伟芳;罗宁;吴其芬;;基于物理光学法的再入等离子体包覆体空间散射特性分析[J];微波学报;2008年02期
5 常雨;陈伟芳;曾学军;孟刚;吴其芬;;再入钝锥体绕流流场电磁散射特性分析[J];宇航学报;2008年03期
6 任淑杰;张收运;董龙雷;闫桂荣;;气体模型对再入飞行器气动力热环境影响的数值研究[J];应用力学学报;2011年03期
7 罗大雷;柳军;樊登峰;李成;;高超声速导弹激波层对红外导引头影响的数值研究[J];战术导弹技术;2013年03期
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1 李小康;气体工质激光推力器工作过程数值模拟和实验研究[D];国防科学技术大学;2011年
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3 常雨;超声速/高超声速等离子体流场数值模拟及其电磁特性研究[D];国防科学技术大学;2009年
4 潘沙;高超声速气动热数值模拟方法及大规模并行计算研究[D];国防科学技术大学;2010年
5 张兵;高超声速多场耦合及其GPU计算加速技术研究[D];南京航空航天大学;2011年
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1 胡兰芳;高速飞行器非平衡绕流及光辐射特性模拟[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 王东方;高超声速非平衡流粘性相互作用研究[D];国防科学技术大学;2011年
3 张代贤;大气吸光船推力器工作特性数值计算研究[D];国防科学技术大学;2009年
4 喻明浩;20kW电弧加热器数值模拟及实验研究[D];山东大学;2012年
5 贺友龙;高超声速目标等离子体流场电磁特性数值模拟[D];南京理工大学;2013年
【参考文献】
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【共引文献】
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5 陈治平,叶结松,何佑明,齐建文,侯本涛;紫外辐射光谱测量方法研究[J];传感器技术;2004年09期
6 于淑华,赵植武,孙述礼,贾树萍;表头内阻测量的误差分析[J];大连大学学报;2003年04期
7 杨恺;高效伟;;高超声速气动热环境工程算法[J];导弹与航天运载技术;2010年04期
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9 刘晓丽,邹进和,曲华;根据性质对误差进行分类的一种新观点[J];大学物理实验;1999年03期
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1 柳军;乐嘉陵;;高超声速三维热化学非平衡流计算程序及应用[A];第十届全国激波与激波管学术讨论会论文集[C];2002年
2 赵慧勇;张若凌;乐嘉陵;;AUSMPW+格式在热化学非平衡流计算中的应用[A];第十届全国激波与激波管学术讨论会论文集[C];2002年
3 黄挺;余安远;乐嘉陵;;二维高超声速进气道起动马赫数下性能数值研究[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
4 樊菁;蒋建政;吴晨曦;;稀薄气体效应对高超声速驻点热流的影响[A];第一届高超声速科技学术会议论文集[C];2008年
5 高云亮;王效廉;董三强;余文力;姜宗林;;热化学非平衡对超高速钝体绕流影响的数值研究[A];第十四届全国激波与激波管学术会议论文集(上册)[C];2010年
6 贾文利;曹伟;;比热非常值对高超声速平板边界层稳定性的影响[A];力学与工程应用(第十三卷)[C];2010年
7 冯定华;潘沙;丁国昊;曹文斌;李伟;罗凯;刘枫;李桦;;CFD并行计算方法在高超声速数值模拟中的应用[A];第三届高超声速科技学术会议会议文集[C];2010年
8 叶远璋;钟家淞;夏昭知;;数值计算在燃烧器设计上的运用[A];中国城市燃气学会应用专业委员会2005年会论文集[C];2005年
9 余西龙;林贞彬;葛学真;竺乃宜;郭大华;张恒利;林建民;杨乾锁;;高超声速钝体近尾迹红外辐射的测量[A];中国空气动力学学会第十届物理气体动力学专业委员会会议论文集[C];2001年
10 白翔;王建军;高昕;;简易双波段光谱辐射计的设计及标定方法[A];2006年全国光电技术学术交流会会议文集(B 光学系统设计与制造技术专题)[C];2006年
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1 穆勇;燃气轮机双燃料燃烧室流场及污染排放数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李金梁;箔条干扰的特性与雷达抗箔条技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
3 赖庆辉;链式纸钵育苗甜菜自动高速移栽机关键技术研究[D];吉林大学;2011年
4 董昊;高超声速咽式进气道流场特性和设计方法研究[D];南京航空航天大学;2010年
5 陈小庆;高超声速滑翔飞行器机动技术研究[D];国防科学技术大学;2011年
6 陈红波;ZrB_2基超高温陶瓷材料催化/氧化性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
7 李小康;气体工质激光推力器工作过程数值模拟和实验研究[D];国防科学技术大学;2011年
8 虞一青;单、双频激发的容性耦合等离子体诊断实验研究[D];苏州大学;2011年
9 陈云云;高温复杂流场光学特性及其诊断研究[D];南京理工大学;2011年
10 唐敬友;冲击压缩下甲烷、氩气的高温辐射特性与反应流体动力学研究[D];中国工程物理研究院北京研究生部;2002年
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1 李鸣;Sm原子束缚态及自电离态光谱的研究[D];天津理工大学;2010年
2 谢军;Eu原子束缚态及自电离态光谱的研究[D];天津理工大学;2010年
3 王辉;纳米流体导热及辐射特性研究[D];浙江大学;2010年
4 刘仔莉;托卡马克装置中性束的光谱诊断研究[D];电子科技大学;2011年
5 雷军命;耐高过载、耐高弹速涡轮发电机研究[D];西安电子科技大学;2010年
6 蔡勤;激发态Rb_2、Na_2与H_2的碰撞能量转移[D];新疆大学;2011年
7 潘东;氮化铝基稀磁半导体薄膜的制备及性质研究[D];新疆大学;2011年
8 赵艳红;Sm原子束缚态和自电离态的光谱及其特性[D];天津理工大学;2011年
9 野仕伟;Eu原子高激发态光谱及寿命的研究[D];天津理工大学;2011年
10 杨永阳;考虑激波串的超声速流动燃烧模型[D];南京航空航天大学;2009年
【同被引文献】
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1 范晓樯,李桦,丁猛;钝头双锥体有攻角表面热流计算[J];兵工学报;2002年01期
2 吕晓斌,朱自强;二维跨音速Euler方程分区并行算法[J];北京航空航天大学学报;2000年02期
3 王浩,吴颂平,陆烨;高超音速化学非平衡流的隐式格式迭代解法[J];北京航空航天大学学报;2002年01期
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5 马辉,赵烈,王发民;高超声速三维化学非平衡流动的数值模拟[J];北京航空航天大学学报;2004年02期
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7 黄兴中,吕善伟;有等离子体层的导体圆柱空间散射特性的分析[J];北京航空航天大学学报;1998年03期
8 龚平,唐志平;大气呼吸模式激光推进的机理分析及数值模拟[J];爆炸与冲击;2003年06期
9 李倩;洪延姬;曹正蕊;;吸气式激光推进推力产生机理的数值模拟[J];爆炸与冲击;2006年06期
10 童慧峰;唐志平;张凌;;烧蚀模式激光推进的数值模拟[J];爆炸与冲击;2007年02期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 柳军;乐嘉陵;;高超声速三维热化学非平衡流计算程序及应用[A];第十届全国激波与激波管学术讨论会论文集[C];2002年
2 黄河激;潘文霞;付志强;吴承康;;用于发动机热防护材料烧蚀实验的小型等离子体风洞[A];第一届高超声速科技学术会议论文集[C];2008年
3 曹平宽;;万亿次规模航空CFD并行算法技术初探[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郑忠华;双模态冲压发动机燃烧室流场的大规模并行计算及试验验证[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2003年
2 侯中喜;超声速复杂流场并行数值分析及高阶格式研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2000年
3 莫锦军;隐身目标低频宽带电磁散射特性研究[D];国防科学技术大学;2004年
4 刘少斌;等离子体覆盖目标的电磁特性及其在隐身技术中的应用[D];国防科学技术大学;2004年
5 张玉;FDTD与矩量法的关键技术及并行电磁计算应用研究[D];西安电子科技大学;2004年
6 汤炜;ADI-FDTD及其混合算法在电磁散射中的应用[D];西安电子科技大学;2005年
7 朱君;流体力学数值方法及并行策略研究[D];南京航空航天大学;2006年
8 孙小波;可压缩剪切湍流的直接模拟和大涡模拟研究[D];中国科学技术大学;2007年
9 徐利军;复杂目标等离子体涂层的散射特性算法研究[D];国防科学技术大学;2006年
10 李海燕;高超声速高温气体流场的数值模拟[D];中国空气动力研究与发展中心;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 李凰立;再入弹头的气动加热及热响应分析[D];西北工业大学;2001年
2 王可;AUSM+格式的研究和应用[D];南京航空航天大学;2002年
3 张江涛;CFD显式差分计算程序的自动并行技术研究[D];国防科学技术大学;2002年
4 于战华;跨声速欧拉方程并行算法研究及应用[D];南京航空航天大学;2004年
5 吕丽丽;高超声速气动热工程算法研究[D];西北工业大学;2005年
6 朱冰;导弹雷达舱等离子体隐身原理研究[D];西北工业大学;2006年
7 沈玲玲;空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析[D];西北工业大学;2006年
8 余奇华;三维高超声速绕流流场并行算法研究[D];南京航空航天大学;2006年
9 卢晓杨;高超声速流场与结构温度场耦合计算研究[D];南京航空航天大学;2009年
【二级引证文献】
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1 范周琴;孙明波;刘卫东;;支板喷射超声速燃烧流场三维大涡模拟[J];国防科技大学学报;2011年01期
2 冯军红;沈赤兵;赵芳;;高焓高压空气加热器壁面传热过程数值计算[J];国防科技大学学报;2013年01期
3 殷雄;赵振维;张厚;孙树计;姜聿焘;许志永;;等离子体散射分析的改进型交替隐式时域方法[J];电波科学学报;2013年02期
4 于哲峰;梁世昌;部绍清;石安华;马平;黄洁;刘佳琪;;超高速目标及其绕流场雷达散射模拟与分析[J];电波科学学报;2013年06期
5 李应乐;李瑾;王明军;唐高峰;;磁化冷等离子体球的瑞利散射[J];核聚变与等离子体物理;2010年03期
6 杨阳;邢建文;乐嘉陵;王金诺;;湍流燃烧模型对氢燃料超燃室流场模拟的影响[J];航空动力学报;2008年04期
7 王新月;杨振鹏;王彦青;;化学非平衡流动对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响[J];航空动力学报;2009年05期
8 高振勋;李椿萱;;适用于超声速湍流扩散燃烧流动的火焰面模型[J];中国科学:技术科学;2011年05期
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10 曾明;林贞彬;郭大华;柳军;瞿章华;;高焓激波风洞自由流参数测量的数值重建[J];空气动力学学报;2009年03期
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1 肖保国;碳氢燃料简化动力学模型和当地自适应建表方法在超燃并行计算中的应用[D];中国空气动力研究与发展中心;2009年
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3 李宁;双基地高超音速弹载SAR可用性与算法研究[D];国防科学技术大学;2011年
4 范周琴;超声速湍流燃烧火焰面模型判别建模及应用研究[D];国防科学技术大学;2011年
5 李海燕;高超声速高温气体流场的数值模拟[D];中国空气动力研究与发展中心;2007年
6 常雨;超声速/高超声速等离子体流场数值模拟及其电磁特性研究[D];国防科学技术大学;2009年
7 卢春莲;航天器目标红外和可见光辐射特性及其抑制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 李伟;飞行器再入段电磁波传播与天线特性研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 张兵;高超声速多场耦合及其GPU计算加速技术研究[D];南京航空航天大学;2011年
10 李江挺;电磁波在空间等离子体中传输与散射若干问题研究[D];西安电子科技大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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3 杨欢;再入飞船等离子体鞘套对通信衰减的仿真与建模[D];南京航空航天大学;2010年
4 张婷;长大输水隧洞检修期自然通风CFD模拟研究[D];天津大学;2012年
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6 喻明浩;20kW电弧加热器数值模拟及实验研究[D];山东大学;2012年
7 仲维伟;等离子体鞘套包覆目标电磁散射特性研究[D];西安电子科技大学;2012年
8 田巍;机翼三维绕流的非定常模拟研究[D];湖南大学;2012年
9 陈晨;高超声速飞行器红外辐射特性分析[D];南京理工大学;2013年
10 贺友龙;高超声速目标等离子体流场电磁特性数值模拟[D];南京理工大学;2013年
【二级参考文献】
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2 沈建伟,翟章华;电离非平衡粘性激波层低雷诺数钝体绕流[J];空气动力学学报;1986年04期
3 张涵信;无波动、无自由参数的耗散差分格式[J];空气动力学学报;1988年02期
4 周学华,赵国英;锥体高超声速尾流辐射特性[J];空气动力学学报;1989年02期
5 郑敏,张涵信;无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND)在喷流计算中的应用[J];空气动力学学报;1989年03期
【相似文献】
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6 淡文彦;邸友莹;张莹莹;;正八烷铵磷酸二氢盐的合成,表征和热化学研究[A];中国化学会第十五届全国化学热力学和热分析学术会议论文摘要[C];2010年
7 黄频频;王晓蕊;刘志宏;;硼磷酸盐微孔晶体材料Na_2[ZnB_3P_2O_(11)(OH)]·0.67H_2O的热化学研究[A];“国际化学年在中国”——中国化学会第三届全国热分析动力学与热动力学学术会议暨江苏省第三届热分析技术研讨会论文集[C];2011年
8 郭烈锦;;能源转化与动力系统中多相流热物理热化学过程的多尺度效应[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年
9 彭海琳;冉纯博;于学春;凌亚鼎;张莹莹;郑瑞;周维;刘忠范;;STM热化学烧孔材料的合成及其存储性能研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
10 邸友莹;谭志诚;孙立贤;;高氯酸铒-谷氨酸配合物[Er_2(L-Glu)_2(H_2O)_8]·(ClO_4)_4·3H_2O的低温热容和热化学研究[A];中国化学会第十三届全国化学热力学和热分析学术会议论文摘要集[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 毛黎;美开发出热化学纳米光刻术[N];科技日报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 柳军;热化学非平衡流及其辐射现象的实验和数值计算研究[D];国防科学技术大学;2004年
2 吴剑鸣;密度泛函和神经网络组合高效热化学方法[D];厦门大学;2008年
3 杜娟;甲烷重整热化学储能过程催化反应及传输特性[D];华南理工大学;2013年
4 吴守军;3D SiC/SiC复合材料热化学环境行为[D];西北工业大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 李飒英;碱金属硼镓酸盐微孔晶体材料的制备、表征以及热化学研究[D];陕西师范大学;2011年
2 顾知之;金属有机骨架化合物的合成、热化学与应用研究[D];辽宁师范大学;2013年
3 张晓玉;锌盐与氨基酸配合行为的相化学及热化学研究[D];西北大学;2001年
4 肖圣雄;稀土三元固态配合物的合成、表征与热化学研究[D];湖南师范大学;2008年
5 王珺炜;热化学硫碘循环硫化氢分解联产氢气和硫磺系统的基础问题研究[D];浙江大学;2012年
6 崔云鹏;分子筛/水体系蓄热特性的热化学研究[D];北京化工大学;2001年
7 李小军;硅氢双原子簇结构、热化学和电子亲和能的研究[D];内蒙古工业大学;2007年
8 孙仁俊;电热化学发射中等离子体点火时的辐射换热过程[D];南京理工大学;2007年
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