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高速飞行器头罩外流场激波辐射特性与传输效应研究

秦兰琦  
【摘要】:高速飞行器外流场形成的激波层产生激波辐射,这对头罩内探测器的成像造成严重干扰。为了提升高速飞行器中红外探测器的成像质量和工作性能,本文对激波流场介质的辐射特性和传输效应开展了研究。本文的研究内容主要包括激波流场的建模和网格划分、激波流场的辐射特性和辐射传输效应的计算仿真。利用Gambit软件实现激波流场的绘制和网格划分,采用非结构化三角网格划分方法,得到的模型可以仿真出一般的激波流场。计算激波流场辐射特性的思想是将激波层的气体介质看作是一种吸收散射性介质,将激波辐射看作是一种辐射-对流-导热的耦合问题进行仿真,通过研究有限单元法及传热学各物理方程,对能量方程、辐射传递方程和流动方程等控制方程进行伽辽金有限元离散,并对其进行迎风有限元修正,得到了准确、稳定、高效的辐射特性计算的物理模型。利用Matlab软件分别对辐射-导热耦合部分和对流部分编程仿真,对流部分的温度场单独求解,然后作为能量方程中的对流项代入能量方程中进行求解得到辐射-对流-导热耦合模型的温度场,得到了温度场和辐射强度场分布。分析介质的重要性质参数:介质反照率、边界发射率和普朗克数,对仿真结果的影响,得到如下结论:介质反照率越低,辐射强度越强;边界发射率越低,辐射强度越强;普朗克值越低,辐射强度越强,符合理论分析,为后续研究激波流场辐射传输效应奠定了基础。基于Matlab对激波流场辐射传输效应进行编程求解的基本思想是:由于激波流场中无粒子存在,所以总的辐射强度值是沿某一角度的视线在某一内表面上的点的各层辐射的线性叠加,流场中每一点发出到达内表面上的辐射强度计算均满足介质辐射的布格尔定律。仿真结果得到了不同参数下辐射强度-辐射方向-内表面发光点的三者关系图,发现介质反照率和普朗克数对仿真结果影响不大,而边界发射率对仿真结果影响很大。并得到了流场内表面即飞行器头罩外侧气固交界面上每一个出光点在每一个辐射方向的辐射强度值。该仿真模型,可以对不同外形的头罩、不同位置的成像探测器,实现激波流场辐射特性对探测器成像干扰的定量分析。


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