高速飛機(jī)紅外成像過程的數(shù)值模擬與特性分析.pdf

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1、高速飛機(jī)紅外成像過程的數(shù)值模擬與特性分析NUMERICALSIMULATIONONINFRAREDIMAGEINGOFHIGHSPEEDAEROCRAFT孫海鋒哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年2月國內(nèi)圖書分類號(hào)：TK123學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：621.1.016.7密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文高速飛機(jī)紅外成像過程的數(shù)值模擬與特性分析博士研究生：孫海鋒導(dǎo)師：夏新林教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：工程熱物理所在單位：能源科學(xué)與工程學(xué)院答辯日期：2018年2月28日授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TK123U.D.C.:621.1.016.7Dissertationf

2、ortheDoctoralDegreeinEngineeringNUMERICALSIMULATIONONINFRAREDIMAGEINGOFHIGHSPEEDAEROCRAFTCandidate：SunHai-FengSupervisor：Prof.XiaXin-LinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringThermophysicsSchoolofEnergyScienceandAffiliation：EngineeringDateofDefence：February28,2018Degree-

3、Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要高速飛機(jī)的紅外熱成像特征，是其戰(zhàn)場生存能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，不僅是飛機(jī)紅外隱身與探測制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的前提，而且對(duì)作戰(zhàn)模式有重要影響。由于飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，而且其紅外輻射受高速氣動(dòng)、蒙皮耦合傳熱及輻射特性等眾多因素影響，目前對(duì)高速飛機(jī)紅外熱像的產(chǎn)生和傳輸機(jī)制認(rèn)識(shí)尚不完善，缺乏有效的實(shí)驗(yàn)研究手段。因此，通過數(shù)值模擬方法，研究紅外輻射的產(chǎn)生與熱像傳輸，是目前獲取高速飛機(jī)紅外成像特性的主要手段。本文以建立高速飛機(jī)紅外熱像的產(chǎn)生和傳輸分析的高效數(shù)值方法、認(rèn)識(shí)其紅外特性及影響因素為目標(biāo)，

4、開展研究。首先，針對(duì)紅外輻射計(jì)算的蒙特卡羅方法在應(yīng)用于飛機(jī)等復(fù)雜形體計(jì)算中存在計(jì)算量巨大的缺點(diǎn)，研究高效適用的的輻射傳輸計(jì)算方法，通過研究蒙特卡羅法計(jì)算輻射傳輸?shù)某闃幽Ｊ胶徒y(tǒng)計(jì)誤差特性，構(gòu)造了雙向加權(quán)蒙特卡羅方法。推導(dǎo)了雙向加權(quán)蒙特卡羅法與正向、反向蒙特卡羅法以及文獻(xiàn)中的優(yōu)化蒙特卡羅法的標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)式，對(duì)相同抽樣光束數(shù)量下（計(jì)算量相同）的四種蒙特卡羅法的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行了多算例的標(biāo)準(zhǔn)差分析，驗(yàn)證了雙向加權(quán)蒙特卡羅法求解輻射傳輸?shù)膬?yōu)越性?？紤]飛機(jī)尾噴焰紅外輻射及紅外熱像大氣傳輸中CO2、H2O蒸汽等介質(zhì)對(duì)光譜衰減的影響，以及飛機(jī)耦合傳熱計(jì)算中熱輻射與氣動(dòng)對(duì)流傳熱傳質(zhì)計(jì)算的耦合性，進(jìn)行了復(fù)雜形狀介

5、質(zhì)輻射計(jì)算方法研究。將蒙特卡羅法處理輻射光譜的隨機(jī)抽樣優(yōu)勢與有限體積法處理空間位置和角度分辨的高效性相結(jié)合，并將其與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)融合，發(fā)展了一種非結(jié)構(gòu)有限體積和蒙特卡羅混合算法。通過算例分析，驗(yàn)證了該方法的可靠性及對(duì)復(fù)雜幾何型體的適應(yīng)性。飛機(jī)的溫度場分布是其紅外輻射產(chǎn)生的根源，進(jìn)行高速飛機(jī)的紅外輻射熱像仿真，必須基于準(zhǔn)確的機(jī)身溫度場分布數(shù)據(jù)。本文通過對(duì)高速飛機(jī)飛行過程中的氣動(dòng)對(duì)流與蒙皮內(nèi)外瞬態(tài)耦合傳熱的機(jī)理分析，提出了高速氣動(dòng)對(duì)流與蒙皮耦合傳熱求解的解耦計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)飛機(jī)在高速流下的流固瞬態(tài)耦合傳熱計(jì)算，并通過翼型的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可靠性。為準(zhǔn)確獲取高速飛機(jī)

6、機(jī)身溫度場，提供了計(jì)算方法。在上述紅外輻射與溫度場計(jì)算方法研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析高速飛機(jī)紅外成像探測過程的輻射傳輸機(jī)制，考慮紅外輻射成像中的光學(xué)系統(tǒng)效應(yīng)，提出了高速飛機(jī)紅外成像的模擬計(jì)算方法。同時(shí)采用了兩種處理方式，來處理飛機(jī)的-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文等效輻射在紅外光學(xué)系統(tǒng)中的聚集成像過程：即先計(jì)算飛機(jī)表面的等效輻射，再計(jì)算等效輻射在光學(xué)系統(tǒng)中匯聚成像的方法和將成像過程和飛機(jī)紅外輻射的傳輸計(jì)算一體化計(jì)算的反向蒙特卡羅法。在反向蒙特卡羅法中，引入對(duì)隨機(jī)光束進(jìn)行光譜抽樣的方法，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)非灰體隱身涂層表面紅外成像的模擬計(jì)算。基于本文所建立的高速飛機(jī)紅外熱像數(shù)值仿真方法，開發(fā)了計(jì)算程

7、序。以三代機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模型SDM為對(duì)象，對(duì)其在在高速飛行狀態(tài)下的溫度場和紅外熱像探測過程進(jìn)行了數(shù)值仿真和分析。并對(duì)某飛機(jī)的尾噴焰的溫度場、濃度場及紅外熱像進(jìn)行了模擬分析。通過本文研究，發(fā)展了適用于大型復(fù)雜型體紅外輻射分析的雙向加權(quán)蒙特卡羅方法、與高速氣動(dòng)對(duì)流傳熱傳質(zhì)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相匹配的輻射傳熱非結(jié)構(gòu)有限體積和蒙特卡羅混合法、高速飛機(jī)蒙皮瞬態(tài)耦合傳熱分析的解耦算法。這些方法，連同高速飛機(jī)紅外輻射匯聚成像過程的模擬計(jì)算方法，能夠?qū)Ω?/p>