發(fā)布時(shí)間：2020-07-26 21:23

【摘要】：本文針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰紅外探測(cè)和基底輻射加熱兩類工程應(yīng)用需求,圍繞噴焰三維流動(dòng)與光熱輻射效應(yīng)研究主題,通過(guò)開展噴焰三維流動(dòng)、輻射建模與算法研究,建立通用型的噴焰輻射信號(hào)和噴焰輻射基底加熱模型與算法,分析獲得三維效應(yīng)對(duì)噴焰流動(dòng)、輻射信號(hào)、基底加熱、紅外可探測(cè)性等問(wèn)題的影響規(guī)律,從而為相關(guān)的工程應(yīng)用提供模型和數(shù)據(jù)支持。發(fā)展了氣動(dòng)繞流與噴焰流動(dòng)相互耦合的計(jì)算分析模型,研究并明確三維噴焰流動(dòng)的典型特征及產(chǎn)生機(jī)制。從飛行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰流動(dòng)與氣動(dòng)繞流相互耦合的問(wèn)題出發(fā),構(gòu)建彈體繞流與噴焰耦合流動(dòng)計(jì)算分析模型,考慮了復(fù)雜邊界類型及狀態(tài)、繞流和噴焰波系結(jié)構(gòu)、復(fù)燃化學(xué)反應(yīng)、粒子非平衡效應(yīng)等。在耦合模型中,氣動(dòng)繞流和噴焰流動(dòng)的波系結(jié)構(gòu)采用k-ε-Rt三方程湍流模型和高精度TVD數(shù)值格式進(jìn)行模擬;復(fù)燃化學(xué)反應(yīng)采用多組分混合流動(dòng)和有限速率化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬;粒子非平衡效應(yīng)采用等效連續(xù)相模型進(jìn)行處理;復(fù)雜邊界條件則采用遠(yuǎn)場(chǎng)邊界模型進(jìn)行處理。結(jié)合噴焰流動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)系留實(shí)驗(yàn)以及公開文獻(xiàn)數(shù)據(jù),對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行校驗(yàn)分析。針對(duì)噴焰流動(dòng)的典型狀態(tài)、復(fù)燃化學(xué)反應(yīng)、氣動(dòng)噴焰耦合和多噴管流動(dòng)三維分布特性等進(jìn)行了較詳細(xì)的計(jì)算和分析。分析結(jié)果表明復(fù)燃化學(xué)反應(yīng)和三維狀態(tài)使噴焰流動(dòng)的溫度分布和組分分布產(chǎn)生顯著的變化,進(jìn)而對(duì)與此相關(guān)的噴焰底部加熱效應(yīng)、噴焰輻射效應(yīng)等也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。建立了基于窄帶模式的三維噴焰輻射特性算法,發(fā)現(xiàn)并分析了噴焰三維效應(yīng)對(duì)輻射特性的影響規(guī)律。基于高溫氣體、粒子的輻射、散射傳輸理論,對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)鈬娧?或者燃?xì)馀c炭黑顆�；旌系膰娧孑椛鋯�(wèn)題,采用窄帶模型結(jié)合視光線法可實(shí)現(xiàn)噴焰輻射信號(hào)可靠計(jì)算。對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氣固兩相噴焰輻射物性參數(shù)、輻射傳輸計(jì)算,提出了基于輻射分裂思想的蒙特卡洛法求解方案;對(duì)于噴焰基底輻射加熱問(wèn)題,將合并窄帶k分布模型與反向蒙特卡洛法相結(jié)合,給出了基底輻射加熱反向蒙特卡洛算法,以此提高計(jì)算效率;利用國(guó)外公開數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)室火焰測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行校驗(yàn)分析�；谠撃Ｐ�,對(duì)軸對(duì)稱噴管噴焰輻射與高度相關(guān)的光譜特性、譜段能量特性以及空間分布特性規(guī)律,多噴管噴焰輻射信號(hào)的三維效應(yīng),噴焰輻射基底加熱的三維效應(yīng)進(jìn)行了分析研究,得到了發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰紅外輻射隨高度、譜段的變化規(guī)律。為了分析復(fù)雜地球大氣背景紅外輻射對(duì)飛行狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰可探測(cè)性影響,基于JHU地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù),分析植被、水體、巖石等地物光譜輻射特性,建立基于光譜相關(guān)性的地表輻射波段轉(zhuǎn)換模型。利用MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品和MODTRAN軟件,模擬不同探測(cè)條件的地球大氣背景輻射紅外圖像。根據(jù)傳感器的探測(cè)視角,將發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射與背景輻射進(jìn)行紅外光譜疊合,生成噴焰與背景紅外輻射圖像。從圖像質(zhì)量的角度出發(fā),確定信息熵、方差和信雜比等圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù),分析噴焰的可探測(cè)性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V430
【圖文】：

圖１．１主要研究?jī)?nèi)容結(jié)構(gòu)框圖逡逑

由于積分方程固有的守恒性允許存在間斷解，能夠較好地捕捉超聲速流動(dòng)逡逑的激波狀態(tài)，能夠有效進(jìn)行噴焰流動(dòng)的模擬計(jì)算。逡逑對(duì)圖２．１所示微團(tuán)控制體，對(duì)控制方程進(jìn)行積分，可以獲得積分形式的Ｎ－Ｓ逡逑方程為：逡逑－＼＼＼ＱｄＶ邋＋邋＾（Ｆ邋＋邋Ｇ）ｎｄＳ邋＝邋０邐（２．１９）逡逑亡’邋ｎ邐ｒ逡逑其中Ｆ邋＋邋Ｇ為矢通量，表示無(wú)黏通量（６邋＋邋６邋＋邋６）與黏性通量（Ｇ，邋＋Ｇ２邋＋邋Ｇ３）逡逑的和，《為單元體表面外法向單位矢量，是控制單元的體積，ｒ?yàn)榭刂茊卧义系谋砻娣e。逡逑１６逡逑

本文將飛行器氣動(dòng)繞流和噴焰流動(dòng)相互耦合，建立氣動(dòng)噴焰耦合計(jì)算模逡逑型。逡逑考慮氣動(dòng)繞流和噴焰流動(dòng)的耦合狀態(tài)如圖２．２所示。從氣動(dòng)繞流和噴焰流逡逑動(dòng)的典型特性出發(fā)，在耦合流動(dòng)中包含復(fù)雜的邊界狀態(tài)、氣動(dòng)繞流和噴焰流動(dòng)逡逑的波系結(jié)構(gòu)、復(fù)燃化學(xué)反應(yīng)、粒子非平衡效應(yīng)等。在耦合模型中，氣動(dòng)繞流和逡逑噴焰流動(dòng)的波系結(jié)構(gòu)采用前述適用于這類耦合流動(dòng)的三方程湍流模型逡逑和高精度ＴＶＤ數(shù)值格式進(jìn)行模擬；復(fù)燃化學(xué)反應(yīng)采用多組分混合流動(dòng)和有限速逡逑率化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬；粒子非平衡效應(yīng)采用等效連續(xù)相模型進(jìn)行處理；復(fù)雜邊逡逑界條件則采用如下不同邊界模型進(jìn)行處理。逡逑自由邐彈體底部逡逑來(lái)流邐燃燒室噴管邋＼邐逡逑一邋＾彈體表面邐＼：邋＼逡逑一＜＾邐Ｉ＇邐噴焰流動(dòng)逡逑一＾邐邐邐逡逑—？逡逑圖２．２氣動(dòng)繞流與噴焰耦合流動(dòng)示意逡逑（１）

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本文編號(hào)：2771308