發(fā)布時(shí)間：2020-09-18 15:57

　　 近年來,臨近空間高超聲速飛行器由于在軍事領(lǐng)域的潛在戰(zhàn)略價(jià)值和在商業(yè)通信領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值,吸引了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。當(dāng)高超聲速飛行器重返地球大氣層時(shí),由于飛行器頭部的氣體被壓縮而在飛行器頭部形成弓形脫體激波,同時(shí)通過與周圍空氣的劇烈摩擦,飛行器的大量動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,導(dǎo)致周圍空氣溫度急劇升高,引起空氣各組分之間發(fā)生如離解和電離等在內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。另外,飛行器表面隔熱材料在受熱情況下出現(xiàn)燒蝕,產(chǎn)生的燒蝕產(chǎn)物隨流體流動(dòng)釋放到飛行器周圍的流場中。最終,在飛行器周圍形成了由大量自由電子、離子和中性粒子組成的等離子體鞘套或再入等離子體。等離子體鞘套是非磁化、低溫、弱電離的,在宏觀尺度上呈電中性,它影響飛行器與地面基站之間的電磁通信,造成遙測和通信故障甚至“黑障”。同時(shí),等離子體鞘套引起的對(duì)電磁波的反射、折射和衰減改變了高超聲速飛行器的雷達(dá)散射特性,影響了再入飛行器的目標(biāo)識(shí)別與跟蹤。因此,對(duì)電磁波與等離子體鞘套之間的相互作用機(jī)理展開研究具有重要的意義。本文在傳統(tǒng)FDTD迭代公式基礎(chǔ)上,給出了高階FDTD的差分格式,并針對(duì)高階FDTD(2,4)的時(shí)間離散間隔、Courant穩(wěn)定性條件、數(shù)值色散以及數(shù)值各向異性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的FDTD方法,高階FDTD(2,4)不僅在數(shù)值精度上有優(yōu)勢,而且在數(shù)值引起的各向異性影響更小。在對(duì)比了處理色散介質(zhì)中電磁波傳播問題的PLRC-FDTD方法和ADE-FDTD方法的優(yōu)劣后,將高階FDTD差分格式引入ADE-FDTD中得到高階ADE-FDTD(2,4)方法。通過計(jì)算等離子體的后向散射結(jié)果對(duì)比分析了ADE-FDTD與高階ADE-FDTD(2,4)的計(jì)算精度,數(shù)值結(jié)果表明,后者與Mie理論的計(jì)算結(jié)果吻合得更好。在建立目標(biāo)模型的FDTD電磁網(wǎng)格時(shí),本文采用基于射線追蹤的質(zhì)心坐標(biāo)求交法,對(duì)FDTD網(wǎng)格射線與模型表面的三角面元進(jìn)行相交檢測,然后生成常規(guī)FDTD網(wǎng)格以及共形FDTD網(wǎng)格。相比于以往的方法,本文所采用的方法不需要預(yù)先計(jì)算三角面元所在的平面方程,因而能夠更快速地判定射線與三角面元是否相交。而且由于只需要存儲(chǔ)三角面元的頂點(diǎn)信息,而不需要存儲(chǔ)三角面元的面法向量等信息,因而質(zhì)心坐標(biāo)求交法所能節(jié)省的內(nèi)存,根據(jù)模型的大小以及三角面元所共用的頂點(diǎn)數(shù)量,從大約25%到50%不等。以三維金屬鈍錐和金屬球模型為再入目標(biāo),采用雙溫度模型和七組元化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)高超聲速再入目標(biāo)繞流流場進(jìn)行求解。分析不同飛行高度和飛行速度下的鈍錐以及球體周圍繞流流場中的電離度、德拜長度、等離子體頻率與碰撞頻率等各項(xiàng)等離子體特性參數(shù)的分布特點(diǎn),為后續(xù)研究分析高超聲速繞流流場對(duì)再入目標(biāo)電磁散射的影響提供基礎(chǔ)。從等離子體的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部與虛部以及折射率的實(shí)部與虛部與入射電磁波頻率、等離子體頻率和碰撞頻率的關(guān)系出發(fā),研究電磁波與等離子體的相互作用機(jī)理。以三維金屬鈍錐模型和金屬球模型為高超聲速再入目標(biāo),研究不同飛行場景下的等離子體鞘套對(duì)再入目標(biāo)的電磁散射特性的影響。數(shù)值結(jié)果表明,等離子體鞘套對(duì)再入目標(biāo)的電磁散射特性的影響大致可以分為增強(qiáng)段、衰減段和平穩(wěn)段等三個(gè)階段。在增強(qiáng)段(頻率約1.5GHz以下),等離子體鞘套會(huì)增大目標(biāo)的電磁散射特性;在衰減段(頻率1.5GHz~14GHz的范圍內(nèi)),由等離子體引起的電磁波的折射和衰減隨著入射波頻率的提高而增強(qiáng),從而導(dǎo)致等離子體繞鞘套會(huì)減小目標(biāo)的電磁散射特性,這也意味著等離子體鞘套對(duì)再入目標(biāo)具有一定的隱身作用;在平穩(wěn)段(頻率14GHz以上),等離子體鞘套對(duì)再入目標(biāo)的電磁散射特性影響較小。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V219;V419;O441.4
【部分圖文】：

j, k)(i, j, k+1)圖2.1 編號(hào)為(i,j,k)的 Yee 元胞網(wǎng)格剖視圖如圖2.1所示，圖中Yee元胞的編號(hào)為 i , j,k ，與元胞負(fù)方向上的角點(diǎn)編號(hào)一致。 i , j,k 元胞，共有 12 條棱邊和 6 個(gè)平面，其中每條棱邊為 4 個(gè)元胞所共有，每個(gè)平面為兩個(gè)元胞共有�？紤]有無窮多個(gè)元胞的情況，則對(duì)于獨(dú)立的 i , j,k 元胞，可以看作該元胞僅包含三條棱邊和三個(gè)平面

21(a)直角坐標(biāo)表示 (b)極坐標(biāo)表示圖2.2 差分近似后的 c 的各向異性由圖 2.2 可知，當(dāng) 越大，其由離散差分引起的波的各向異性越小，當(dāng)5 (2-54)時(shí)，(2-19)式的高階離散差分格式引起的各向異性可以忽略。值得注意的是，傳統(tǒng)的二階差分格式所允許的步長可以放寬到 8，比本文所提到的方法更加保守，并且其數(shù)值精度沒有本文提出的高階方法精度高。綜合以上的討論，可以看到高階差分格式不僅在數(shù)值精度上有優(yōu)勢，而且在數(shù)值引起的各向異性影響更小，得到的條件更加寬松。2.3 色散介質(zhì) FDTD 方法非磁化等離子體作為色散介質(zhì)

西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文28圖2.3 半徑 1m 的等離子體球的 H 面雙站散射特性2.4 本章小結(jié)本章首先介紹了 FDTD 基本迭代公式，給出了高階 FDTD 的差分格式，并針對(duì)高階 FDTD(2,4)的時(shí)間離散間隔、Courant 穩(wěn)定性條件、數(shù)值色散以及數(shù)值各向異性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的 FDTD 方法，高階 FDTD(2,4)不僅在數(shù)值精度上有優(yōu)勢，而且在數(shù)值引起的各向異性影響更小，得到的條件更加寬松。然后，本章介紹了色散介質(zhì) FDTD 方法中的 PLRC-FDTD 方法、ADE-FDTD 方法以及高階ADE-FDTD(2,4)方法，并分析了各自的特點(diǎn)，并通過計(jì)算等離子體的后向散射結(jié)果對(duì)比分析了 ADE-FDTD 與高階 ADE-FDTD(2,4)的計(jì)算精度，數(shù)值結(jié)果表明，后者與Mie 理論的計(jì)算結(jié)果吻合得更好。

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本文編號(hào)：2821860