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價指標(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、蒙皮耦合傳熱及輻射特性等眾多因素影響,目前對高速飛機(jī)紅外熱像的產(chǎn)生和傳輸機(jī)制認(rèn)識尚不完善,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)識其紅外特性及影響因素為目標(biāo),開展研究。首先,針對紅外輻射計(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。考慮飛機(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)算中熱輻射與氣動對流傳熱傳質(zhì)計(jì)算的耦合性,進(jìn)行了復(fù)雜形狀介質(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)。本文通過對高速飛機(jī)飛行過程中的氣動對流與蒙皮內(nèi)外瞬態(tài)耦合傳熱的機(jī)理分析,提出了高速氣動對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)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。同時采用了兩種處理方式,來處理飛機(jī)的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)算程序。以三代機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模型SDM為對象,對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、與高速氣動對流傳熱傳質(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咚亠w機(jī)的紅外熱像特性及影響因素進(jìn)行全鏈路的仿真計(jì)算與分析。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V218;TN211
【部分圖文】：

圖 2-2 目標(biāo)八叉樹自適應(yīng)分區(qū)過程 Process of self-adaptive octree region grouping o分。光束與離散單元系統(tǒng)求交計(jì)算的過程級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行求交計(jì)算，得出與光束相交的DHWC

圖 2-14 SDM 飛機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)Fig.2-14. The structure of the standard airplane mod機(jī)表面溫度影響最大的氣動熱，其模擬計(jì)算得到的飛機(jī)蒙皮表面的溫度分布。從中可以看)與回流(機(jī)身后部)作用較強(qiáng)的區(qū)域其溫度相

圖 2-15 SDM 飛機(jī)的計(jì)算溫度分布Fig.2-15. The skin temperature distribution of the SDM model 為通過雙向加權(quán)蒙特卡羅方法計(jì)算得到了標(biāo)準(zhǔn)模型飛307.9437.23-2 -1q/W m Sr
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2838440