1、中北大学 2014 届毕业论文说明书高速飞行器气动热辐射效应分析与计算摘 要高速导弹光学窗口外存在激波层,为高度不均匀的梯度温度气体介质,针对其中的热辐射传递开展一种有效数值求解方法研究,基于离散传递法的思想,利用光线传输模型寻找导引头探测口径内的视线路径,推衍出激波层的热辐射强度计算模型,并且求出结果证明在一定红外波段内,激波层热辐射噪声在大气层内受飞行高度影响很小,与马赫数关系密切。本文建立了物性分布高度不均匀高温气体介质的热辐射计算体系,可以为直接或间接需要此计算结果的工程军事场合提供参考。关键词:红外成像制导,气动热辐射效应,辐射传递方程,分子原子光谱中北大学 2014 届毕业论文说明
2、书High-speed aerodynamic analysis and calculation of the thermal radiation effectsAbstractThe presence of foreign high-speed missile shock layer optical window for the highly uneven temperature gradients gaseous medium, for which the thermal radiation transfer research an efficient numerical solution
3、 method, based on the idea of discrete transfer method, the use of light transmission model looking seeker caliber within sight path detection, inferring the thermal radiation intensity of the shock layer model, and the results obtained prove that in a certain infrared wavelengths, the shock layer b
4、y thermal radiation noise has little effect altitude in the atmosphere, and Mach several closely related.This paper established a highly uneven distribution of physical properties of high temperature gas medium heat radiation calculation system, which can be directly or indirectly Then you need this
5、 military occasions engineering calculations provide a reference.Key words: infrared imaging guidance, pneumatic heat radiation effects, radiative transfer equation, molecular atomic spectroscopy中北大学 2014 届毕业论文说明书目录摘要.11 研究的目的背景与意义.51.1 气动热辐射效应相关研究的发展现状及研究目的.51.2 国外发展现状.61.2.1 高温气体热辐射特性研究.61.2.2 高速飞
6、行器气动热辐射效应.71.3 国内发展现状.82 气动热辐射效应相关概念.92.1 高速飞行器气动热辐射效应的概念.92.2 辐射传递方程的一般形式.102.3 几何光学光线追迹模型.122.3.1 正入射光线传输.122.3.2 斜入射光线传输.132.4 量子热辐射的基本概念.152.5 气体中光的发射、吸收机制.162.6 气体吸收发射系数的计算.183 气动热辐射效应分析与计算.193.1 高温气体分子原子辐射吸收系数.193.1.1 多级温度模型建立.2032高温气体原子分子辐射吸收系数.23321高温气体原子辐射吸收系数.23322 高温气体分子辐射吸收系数.253.3 光学传输模
7、型.253.3.1 介质离散.253.3.2光线追迹.263.4 辐射传递方程求解.28中北大学 2014 届毕业论文说明书3.4.1辐射传递轨迹.283.4.2离散传递法.293.5计算结果与讨论.304 结论.32参考文献.33致谢.34中北大学 2014 届毕业论文说明书第 0 页 共 37 页1 研究的目的背景及意义1.1高速飞行器气动热辐射效应相关研究的目的及意义自从上世纪六十年代,尤其是近二十年以来,激光技术和航空航天技术的发展,以及机载激光、战术高能激光武器、激光雷达、激光通讯、大气光学测量等大量技术应用展现出来,使人们开始关注光在大气、湍流层、附面层等复杂流场中传输的规律研究。
8、上世纪的70年代,美国的Air Force Weaponslab oratory,NASAs Arm Research Center,Air Force Flight Dynamic Laboratory以及美国一些大学与实验室就对机载激光中气动光学效应进行了为期五年的研究,他们的研究结果展示在1982年出版的“Aero-optical phenomena“。该书从理论上、实验室模拟实验以及飞机飞行试验等方面总结了机载激光系统受湍流附面层影响的研究结果。在统计理论基础上建立了比较完善的气动光学研究的理论体系和实验方法。由于高能激光、高超音速光学制导导弹以及自适应光学的发展,逐渐建立了在统计理论
9、基础上的气动光学研究己经远远不能满足激光技术应用需要。本文研究基于通过辐射传递方程得出激波层气体热辐射噪声推进了其算法和技术的发展,得到气动热辐射精确且可靠的数值解,及激波层热辐射噪声与来流参数之间的关系,并给出红外末制导系统中有利于提高其目标识别和抗干扰能力的波段。1.2 气动热辐射效应研究国外发展状况红外成像探测己经成为了精确定位的非常重要发展方向,因为致冷窗口和气动热辐射效应和校正技术是制约大气层内高速、超高速飞行器采用红外成像技术实现精确定位的关键问题,所以高速飞行器应用红外末定位的一些关键技术问题很早就引起人们关注,比如气动热转换以及辐射效应与窗口材料热应力与变形、高速流场气动热效应
10、7及光在随机介质中传输等研究工作美国在五六十年代就有人开始了研究,经过了几十年研究历程,从美国空军菲利普试验室、国家高能激波风洞 LENS 试验室、麦道航空公司和 Teledgne Brown 工程公司等等研究机构发表有关研究报告分析来看,美国国防研究部门进行大量高速飞行器红外成像末制导应用技术理论分析与试验研究的工作,己经掌握了相应的核心的技术。在理论上与工程实践上都取得了非常大的突破,并且己经成功的运用在新一代装备当中。到 20 世纪 90 年代,气动光学动态测量技术迅速发展,提出气动热效应和热辐射效应研究的必要性。气动光学热辐射效应是一个十分复杂的物理过程,对它的研究涉及辐射学、流体力学
11、、光学、信号处理、光电子学等中北大学 2014 届毕业论文说明书第 1 页 共 37 页诸多学科,是一个极具挑战性的课题。1.2.1 高温气体热辐射特性研究气动热辐射问题本质上是高温高度不均匀气体的热辐射问题。虽然在气动光学领域的应用刚刚发展了几十年,事实上,此类问题在工业上,在炉膛传热中技术领域中,20 世纪 20 年代,气体辐射就已经引起了人们的重视。气体的发射率主要与气体的组分、温度以及气层厚度等因素有关,由于其热辐射特性具有强烈的选择性,使得研究气体的热辐射特性以及进行传热计算都很困难。20 世纪 20 年代传热学界开始用直接测量的纯实验法系统研究重要燃烧产物二氧化碳和水蒸气等气体的总
12、辐射性能。1942 年Hottel 整理了自己与其他人十余年积累的大量实验数据,发表了二氧化碳和水蒸气发射率的线算图,称为 Hottel 线算图。1954 年经历一次修整。Hottel 线算图是随后相当多年的工程气体辐射计算的标准图。到 20 世纪 60 年代,伴随着航天、火箭工业的崛起,需要精确计算火箭尾部火焰的辐射等问题,迫切需要精确的高温气体辐射特性参数,Hottle 线图准确性达不到要求,传热界开始引入以原子、分子辐射理论为基础的光谱方法。借鉴大气辐射的研究方法,很快建立起很多具有一定准确度,又适用于工程应用的谱带模型,目前已大量运用于介质辐射换热和气体辐射的数值计算中。同时原子,分子
13、光谱理论计算方法也得到了深入的发展,成为近代工程气体辐射计算的主要方法。目前根据计算波数、间距大小,高温气体辐射特性计算方法基本上可分为三类:逐线计算、谱带模型和总体模型。逐线计算亦称逐线积分法(LBL),是逐条计入吸收谱线贡献的一种精确的透射率计算方法。理论上说,逐线积分法是目前最准确的气体辐射特性计算方法,可以作为其他方法的基准。但是采取此方法时需要提供气体分子每条谱线的详细光谱特性参数,包括谱线位置、谱线强度、谱线半宽、谱线跃迁能级能量、谱线跃迁能级权重等一系列参数。通常气体分子光谱中包括成千上万条谱线,所以逐线积分法非常耗时,需要大量的计算机资源,工程中使用较少。一般作为检验其它模型准
14、确度和有效性的基准解。在一定谱带间隔内,将普朗克函数看作常数,实际吸收系数用窄或宽谱带的平均值来代替,以实现对谱带辐射热流的光谱积分,这就是窄谱带和宽谱窄谱带模型。很多资料中都把艾尔沙色(Elsasser)1938 年首先提出的艾尔沙色模型看作是最简单的窄带模型。该模型假设吸收带是由一系列线强度、半宽度及间隔均相同的洛仑兹(Lorenz)线组成,适用于双原子分子和线性多原子分子气体。Golden 将其扩展应用于 Doppler 和中北大学 2014 届毕业论文说明书第 2 页 共 37 页Voigt 线型。随之学者们提出了统计谱带模型,最简单的统计模型是均匀统计模型,该模型假定所有的光谱线具有
15、相同的强度。Goody 和 Godson 提出用概率密度分布函数表征线强的变化,以求更符合实际。后来 Malkmus 提出新的关系,即谱线有强线和弱线之分,现在普遍认为 Malkmus 模型是求解多原子分子气体的最好的模型。20 世纪 60 年代上半叶出现了多个直接计算单个谱带的宽谱带模型法。波数间隔 在 之150cm间的模型为窄谱带模型,更大的波数间隔模型称为宽谱带模型。最简单的宽谱带模型是箱带模型。用宽度为有效带宽、高度为 K 的矩形箱带近似代替谱带,大大简化了计算。但它只适用于双原子分子气体,而且波数间隔和有效带宽的选取对结果影响很大。1976 年 Edwards 在统计窄谱带模型的基础
16、上,经过进一步的假设推导提出了指数宽带模型,详细的推导过程可参考 Edwards 关于气体辐射的专著。Strohle 等将指数宽带模型进行变化后,用于求解包含 和 的一维和二维空腔中的辐射传热。刘林华等2COH以 Edwards 指数宽谱带模型为基准,比较了二氧化碳、水蒸气及其混合物的吸收系数。余其铮等基于合并谱带模型得到简化的计算式,提出了自己的代数模型。邢华伟等以高温高压燃烧设备产生多种气体为研究对象;董士奎等考虑了气体的非灰特性,以吸收系数作为辐射传输微分方程的近似解的基本参数,由 Edwards 指数宽带模型进一步简化,得到了计算水蒸气各个谱带辐射特性参数,包括谱带光谱吸收系数,谱带上
17、、下限波数的简单模型。宽带模型的计算结果和用于拟合的实验数据相比,平均误差在左右,最大误差达 50%到 80%,是目前工程应用的宽谱带模型中最好的。若只关20%心全波谱或某段波谱的辐射强度和辐射热流分布,可用整体光谱辐射特性直接计算,即总体模型。如果气体混合物可以看作是灰体,那么可以将总体模型用于辐射传递计算。总体模型有基于谱线的灰气体加权和模型,假想气体吸收分布函数模型(ADFFG),全光谱 k 分布模型(FSk)等。1967 年 Hottel 和 Sarofin 由谱带方法出发,最早发展了基于整体吸收系数分布函数的方法,提出灰气体加权和模型(WSGGM) 。该方法能结合任意辐射换热方程求解
18、的方法使之得以计算,可很好地适用于光谱积分,但在处理气体混合物或非均匀介质时需要进行特殊的假设或结合其他方法(本文将 WSGGM 与宽谱带模型结合来处理非均匀介质) 。WSGGM 还可用于非等温和非均匀介质,但局限于黑体封闭空间内非散射性介质问题。Yang 等基于精确的 WSGGM,在反辐射设备中对 4.3um的 CO2谱带进行了研究。聂宇宏等推导了描述非灰气体辐射特性的灰气体加权和模型中北大学 2014 届毕业论文说明书第 3 页 共 37 页(WSGGM)与离散坐标法结合的公式。Yu 等将 WSGGM 非灰模型应用于两相辐射问题。Denison 和 Webb 改进了 WSGG 模型,并在详
19、细的谱线数据基础上提出了基于灰气体加权和的光谱线模型(SLW),通过引入一个在整个光谱上用普朗克函数加权的吸收系数累积分布函数,再进一步 SLW 模型推广用于非等温、非均匀介质中。Zhang 发展了多尺度全谱带比例 k 分布模型。Modest 在新的光谱数据库 CDSD-1000 的基础上,建立了 N2_CO2混合物的全谱带 k 分布的一个简单关系式。总体模型的最大缺点是不能用于非灰壁面或包含非灰发射和散射的粒子,在灰壁面条件下,在很多实际应用中可以获得足够精确的结果。1.2.2 高速飞行器气动热辐射效应美国七十年代的政府报告中提出了超高声速飞行器周围的激波热辐射问题,此后各种应用条件下的热辐
20、射计算方法不断发展。美国 Science Application International Corporation 开发研制了激波辐射理论计算的数学模型和数学仿真软件,其主要功能包括:EXTC 流场计算模块、SIRRM-II 辐射传输模块、NORSE 红外辐射数据库和减小气动热辐射对光学成像探测系统信噪比影响的分析模块。利用这些数学模型和仿真软件可以对高速激波和高温窗口产生的热辐射噪声进行分析。可以认为美国等西方军事强国已基本解决了气动热、热辐射效应及其校正这一关键技术,并在理论和工程实践上取得了重大突破,相关的研究成果也已成功的应用到了新一代武器装备中。例如,美国和以色列合作研制的“箭”式
21、导弹,突破了高速导弹成像探测气动热/热辐射效应和校正等一系列问题,成功地进行了拦截飞行实验而转入定型装备阶段;美国“战区高空区域防御系统” (Theater High Altitude Area Defense THAAD)的拦截弹也已于近年完成了高空拦截飞行实验,并且随着气动热/热辐射问题的解决正在考虑进行低空拦截飞行实验。1.3 气动光学效应研究国内发展现状目前我国关于气动热、热辐射效应问题的研究工作发展迅猛,哈尔滨工业大学、中国科学院、华中科技大学等单位对高速激波和高温窗口的气动热辐射效应进行了研究。其中,哈尔滨工业大学的张亚萍研究了高速流场对光学窗口的影响,分析了光学窗口的气动热辐射效
22、应和气动加热效应对红外成像探测的影响;哈尔滨工业大学的赵永蓬等给出了高温气体可能存在的各种辐射机制,以及根据各机制开展辐射光谱理论与实验研究的方案;中国科学院的张杰研究了高速流场的气动热辐射数学建模与计算中北大学 2014 届毕业论文说明书第 4 页 共 37 页方法 70;华中科技大学的周成平等研究了高超声速飞行器光学头罩气动热流场的数值模拟问题。北京航空航天大学的赵剡等利用湍流大涡模拟数据,研究了高速激波湍流的光传输模型和热辐射效应仿真计算。 虽然我国对气动光学效应研究起步比较晚,但现在己充分认识到气动光学效应研究的重要性,在气动光学传输和热辐射效应仿真实验研究方面,北京航空航天大学王强等
23、人以气动加热情况下的飞行器蒙皮为对象,建立了红外辐射特性计算理论模型。较为完整考虑了气动加热对蒙皮温度作用,采用反向蒙特卡洛法,并且结合表面多重遮挡算法,分析了在空间特定方向上,飞行器表面在长波波段内的辐射特性。其研究结果表明了,飞行器的马赫数对其红外辐射特性有非常大的影响,在超音速飞行状态下,气动加热对红外辐射特征的影响比亚音速的大,减小蒙皮表面辐射发射率可以降低它的红外辐射强度,此种方法可为计算飞行器表面红外辐射特性提供一定的参考。在对热流量平衡方程的工程估算方法和二维薄成近似的N-S方程数值模拟的基础上,西北工业大学雷廷花对高超音速飞行器的气动加热计算方法进行研究,并且计算了高超音速飞行
24、器对称面中心线上温度分布。以近空间高超声速飞行器为对象,上海交通大学陈方等人进行了其气动热红外辐射特性的数值仿真研究。并应用所建方法和计算程序数值仿真其在中波段的红外辐射的空间分布,仿真所得到的结果,可以为红外隐设计提供一定参考依据。和国外相比,我国在气动光学效应机理研究、气动热辐射效应、气动光学校正技术与校正测试实验技术方面都存在很大差距,基础性及机理研究还都处于初级的阶段,还有很多基本问题和实验的技术有待于解决。中北大学 2014 届毕业论文说明书第 5 页 共 37 页2 气动热辐射效应的相关概念2.1 高速飞行器气动热辐射效应的概念红外成像制导导弹在大气层内高速飞行时,其光学头罩周围存
25、在高温激波层。激波层中的气体密度、温度、组分高度不均匀,并产生强烈的红外辐射,对探测器成像产生热辐射噪声干扰,使得目标图像严重退化,称为气动热辐射效应。为达到精确制导的目的,科研人员在气动光学领域进行探索,一部分致力于寻找湍流真实结构,一部分致力于流场或气动热环境的整体统计模拟,解释光线经过复杂的流场介质发生的变化,一部分致力于一定约束条件下图像的盲复原工作。对热辐射研究,无论是从分子热运动的角度,还是通过求解气体介质辐射传递方程,目前集中于用谱带模型结合统计的方法(蒙特卡洛),计算量巨大,取得的结果仍依赖于样本的数量,得不到精确的数值解。而且,气动热辐射的计算结果难以被验证,始终制约着其算法
26、和技术的发展。文中首先将激波层气体作文中首先将激波层气体作为不同组分、密度组成的化学混合物,基于分子原子辐射理论计算红外波段的吸收发射系数;然后将激波层气体作为灰介质建立总体模型,将其辐射特性用3种等效灰气体代替,对每种灰气体进行辐射计算,利用光线传输模型得到导引头探测口径内的视线路径,运用离散传递法推衍出激波层的热辐射强度计算模型,获取此模型在目标所涉及波段内的热辐射噪声。两种方法互相验证、比较和补充。实现了对高温激波层气动热辐射效应的仿真分析,建立了相应的气动热辐射经验模型,可据此完成热噪声抑制方法研究,为寻找气动效应退化图像的部分成因提供新的思路。2.2 辐射传递方程的一般形式如前所述由于流场的特殊结构,温度 T 是空间位置的函数。半透明梯度温度介质内,沿辐射传播路径不仅介质的吸收、发射和散射会导致辐射强度的变化,温度的变化也将也起辐射强度的改变。沿辐射传播路径 s,辐射强度 I 的改变量为:(2.1)IdTds式中: 表示沿辐射传播路径辐射强度的改变量; 表示温度为常数时由辐射dI ()Isd