發(fā)布時間：2020-06-03 05:31

【摘要】：對于各類精確制導武器而言,采用紅外成像制導是目前實現(xiàn)精確打擊的主流制導方式之一。然而,光學窗口周圍復雜的流動結構(如混合層、湍流邊界層、激波和膨脹波等)會產(chǎn)生如目標圖像偏移、模糊和抖動等現(xiàn)象的氣動光學效應,它是影響高速武器打擊精度的一個重要因素,已成為研究熱點。論文以超聲速混合層為研究對象,重點對混合層渦結構流動特性、混合層氣動光學效應的空間和時間演化規(guī)律以及混合層氣動光學效應的控制方法開展了較為深入的研究。揭示了混合層氣動光學效應和流場渦結構流動特性之間的關系,完成了混合層氣動光學效應的機理研究;分別從調(diào)制和抑制渦結構的角度研究了能夠有效降低混合層氣動光學效應的校正和控制方法。具體而言,論文的主要研究工作如下:⑴對混合層渦結構的瞬時對流速度開展了研究�；旌蠈訙u結構的對流速度是反映渦結構流動特性的重要參數(shù),考慮不同尺寸的單個渦結構及參與配對-融合過程的兩個相鄰渦結構,使用渦核位置提取方法,分別計算它們的瞬時對流速度并進行分析。結果表明:對單個渦結構而言,其瞬時對流速度具有脈動特性且脈動幅度隨渦結構尺寸而變化;對參與融合的兩個相鄰渦結構而言,各個渦結構的瞬時對流速度都表現(xiàn)出類似正弦波動的特點。此外,還研究了混合層對流馬赫數(shù)、混合角度和來流組份等因素對渦結構演化的影響。⑵開展了超聲速混合層氣動光學效應空間和時間演化規(guī)律的建模和數(shù)值驗證研究。在深入分析渦結構流動特性與混合層氣動光學效應之間關系的基礎上,使用混合層來流參數(shù)及合理假設,分別對混合層氣動光學效應的空間和時間演化規(guī)律進行了數(shù)學建模,并以典型超聲速混合層流場為例對構建的數(shù)學模型進行了有效性驗證。提出了考慮對流馬赫數(shù)影響的混合層生長率預估公式,與當前其它預估公式相比,新預估公式考慮了壓縮性的影響,具有更好的適應性。⑶對超聲速混合層氣動光學效應的控制方法進行了研究�；诨旌蠈訙u結構與其氣動光學效應之間的對應關系,分別從調(diào)制和抑制渦結構的角度出發(fā),提出了相應的氣動光學效應校正和控制方法。其中,調(diào)制渦結構通過對混合層的周期性控制來實現(xiàn),而抑制渦結構生長通過在混合層上游施加吹/吸氣控制來實現(xiàn),并分別進行了數(shù)值和風洞實驗驗證�？偨Y出描述控制周期、渦結構空間尺寸和渦結構對流速度之間關系的數(shù)學公式,即受周期性控制流場中渦結構的空間尺寸等于控制周期和渦結構平均對流速度的乘積,這個經(jīng)驗公式能夠用于預估受控混合層渦結構的空間尺寸。對于上游吹氣控制,還分析了吹氣強度對抑制下游混合層渦結構生長的影響,發(fā)現(xiàn)適當強度的吹氣能夠取得更好的抑制效果。⑷使用直接模擬蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法對臨近空間超聲速混合層的生長特性進行了數(shù)值探索。通過提取混合層邊界,分析了混合層厚度在不同高度的變化規(guī)律并定量計算了混合層在不同高度的生長率。結果表明:混合層生長率隨高度的增加而增加,且高度越高混合層生長率的增加越顯著;對于相同的高度,混合層生長率隨流向距離的增加有減小的趨勢。本論文的創(chuàng)新點:1.揭示了混合層二維渦結構對流速度的特性以及渦結構在周期性調(diào)制下所表現(xiàn)出的生長特性(即受控渦結構的空間尺寸在數(shù)學上近似等于渦結構平均對流速度與調(diào)制周期的乘積);2.構建了描述混合層氣動光學效應空間和時間演化規(guī)律與流場中渦結構流動特性之間關系的數(shù)學模型;3.提出了調(diào)制和抑制渦結構等兩種控制混合層氣動光學效應的途徑,并對具有工程應用價值的光學頭罩氣動光學效應控制方法(上游吹氣和吸氣)進行了風洞實驗研究。
【圖文】：

第一章 緒論究背景與意義于具有良好的成像效果和抗干擾能力，紅外成像制導是目前高速導彈實打擊的主流制導體制之一。然而，高速飛行使其光學頭罩與周圍來流發(fā)作用，在光學窗口上方會形成湍流邊界層、激波和膨脹波等復雜的流場光學窗口本身也會因為與高速來流的強烈摩擦而產(chǎn)生較強的氣動熱效應窗口因氣動熱而變形，需要在光學窗口前緣水平噴射冷卻劑以對光學窗隔離高速來流，由此冷卻噴流與外部來流相互作用形成混合層流動。當對目標成像并進行識別和跟蹤時，光學窗口上方的復雜流動結構會引起移、模糊和抖動，此即稱為氣動光學效應(Aero-Optics Effects)[1]，如下其中，冷卻噴流與外部來流相互作用形成的混合層流動是產(chǎn)生氣動光學要來源[2]。

大學博士學位論文 第一，相鄰的渦結構還會發(fā)生“配對”與“融合”等過程。在混合層研究的ke[9]采用線性穩(wěn)定性分析方法證明了混合層中存在渦結構，Brown 和 R驗在低速混合層流動中發(fā)現(xiàn)了大尺度渦結構，，認為渦結構是混合層發(fā)展表現(xiàn)形式，且主導了混合層流動的動力學行為。Rogers 和 Moser[11]首次模擬(Direct Numerical Simulation, DNS)方法證明了混合層流場中渦結onkewitz 和 Heurre[12]證明了 K-H 不穩(wěn)定性對混合層中復雜的流動確實，使流動在流場下游逐漸形成了流向大尺度的渦結構。Winant 和 Bro動顯示技術對中等雷諾數(shù)下的混合層進行了研究，結果表明流場中渦結后相鄰渦-渦之間配對和融合現(xiàn)象是混合層生長的根本原因。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TJ765.3

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 周強;何楓;沈孟育;;可壓縮混合層中的渦結構和激波[J];空氣動力學學報;2010年03期

2 史可天;馬漢東;;可壓縮混合層氣動光學效應研究[J];計算物理;2010年01期

3 費錦東;氣動光學效應校正技術初步分析[J];紅外與激光工程;1999年05期

相關博士學位論文 前3條

1 李波;高速飛行器氣動光學流場機理研究與光學窗口設計[D];上海交通大學;2011年

2 趙玉新;超聲速混合層時空結構的實驗研究[D];國防科學技術大學;2008年

3 李啟兵;應用BGK格式對可壓縮混合層的數(shù)值研究[D];清華大學;2002年

相關碩士學位論文 前2條

1 王麗;基于可變形鏡系統(tǒng)的氣動光學效應模擬器研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

2 王建航;高速湍流反應流的數(shù)值計算[D];上海交通大學;2014年

本文編號：2694370