喷流冷却条件下高速飞行器光学窗口气动特性研究
发布时间：2021-01-24 05:48
对于在大气中高超声速飞行且配备有红外成像检测系统的高超声速飞行器,其光学窗口与空气热流直接接触被加热,温度极速上升,并导致形变分布不均匀,给飞行造成危险。过高的温度会带来大量的红外辐射噪声,同时光学窗口会因热光效应,弹光效应导使其折射率场分布不再均匀,会大幅降低红外探测系统的探测质量。因此,常使用喷流冷却的方式对光学窗口实施保护。喷流冷却能够有效降低光学窗口表面温度,但对整个窗口温差分布的影响仍需探究。另一方面,喷流使整流罩的外流场结构将变得更加复杂,出现诸如混合层、剪切层等复杂结构,使得穿过流场的光传输成像质量明显下降。所以探究冷却喷流对外流场的气动特性、窗口的气动热特性以及窗口的气动光传输特性的综合影响是极其有必要的。本文主要基于FLUENT、ANSYS软件进行飞行器高速飞行时的流场仿真与热仿真,研究喷流冷却条件下飞行器的流场特性与光学窗口的气动热特性,然后根据仿真得到的数据,以光线追迹的方式来计算光线经过流场与光学窗口后的OPD。最后以波像差、点扩散函数、图像失真程度作为光学性能的评价指标,结合飞行器气动特性和光学窗口的热特性,对喷流冷却的影响进行综合评价。主要内容包括:（1）喷...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实验装置示意图[43]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文8图1-2Herssert宇航实验室边界层波前测量装置[47]2012年，Wang等对超音速条件下飞行器高速飞行产生的复杂流场包括剪切层和湍流边界层进行了研究，利用大涡模拟方法计算出该流场的密度分布，并将密度分布重构为折射率分布，利用折射率结果计算光波穿过该流场后的波前畸变，最后将利用探测器测得的波前畸变数值与计算值对比，表明该仿真方法可靠性很高[48]。2014年，西北工业大学的赵刚等提出了一种快速仿真算，该方法以统计学为原理，建立了一种高速湍流统计模型，该算法能够有效的实时复原因高速飞行器气动效应而劣化的图像，具有较高的研究价值[49]。2016年，宋敏敏等从红外辐射角度入手，着重研究高速飞行器高速飞行时产生大量热辐射的机理，以及红外辐射对红外成像探测系统的影响[50]。2016年，李征威等人创新性的用气体透镜来替代高速飞行器光学窗口附近的流场，并用该气体透镜研究光线穿过流场的光传输效应。基于有限元理论利用成熟的CFD流场仿真软件计算得到2.5Ma飞行速度的整罩外流场特性，再根据流场仿真外流场参数等效计算出气体透镜的参数，包括折射率与焦距，计算光线通过该透镜的偏移与抖动，结果表明该飞行速度时外流场的折射率因密度不均匀而导致的非均匀分布对光传输结果影响很小，甚至可以忽略不记。最后利用风洞实验得到实际的光传输结果，并与气体透镜方式的结果进行比较，证明该方法的正确性[51]。2017年，南京理工大学的蒋倩雯等对具有凸台结构的飞行器其凸台附近的光传输进行了研究，分别利用LG光束和高斯光束穿过该流场，得到了穿过流场后光束光强的衰减程度以及波前畸变程度。结果表明，对于LG光束，穿过流场后的光束光强与目标像的偏移程度受拓扑荷数的影响。相位方面，
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文24第3章喷流冷却条件下高速飞行器外流场气动特性仿真分析3.1高速飞行器外流场有限元模型建立本章根据有限元思想和流体力学原理，建立了喷流冷却条件下头罩具有凹腔结构的高速飞行器外流场有限元计算模型。建立底面直径0.18m，长径比为1，喷口位于头罩中点处，气动光学窗口为凹窗结构，凹腔下沉5mm，喷口宽度为5mm，光学窗口的长度为30mm，靠近弹顶的凹窗面设为喷口，喷流方向为沿着弹体方向，具有凹腔的双曲型、抛物型、圆锥型、椭球型、冯卡门型、正弦型头罩和外流场的计算模型，根据实际飞行时飞行器周围流场的特性采取相应的网格划分方式，根据实际飞行情况设置CFD仿真参数。研究不同飞行工况、头罩面型、喷流参数的高速飞行器外流场气动特性。下图为高速飞行器冯卡门型头罩的几何模型。图3-1高速飞行器冯卡门型头罩的几何模型3.1.1网格类型的选取根据第二章相关内容可知，计算时需要把连续的空间离散成微元体，而实际计算中，采用划分网格的方式，将连续空间离散化成大量网格，可以说划分网格是仿真计算流体力学问题的基矗由于将划分后的网格视作空间离散后的微元，则网格的优劣直接影响仿真计算的结果，好的网格能够很好的体现处流体的流动特性，有利于保证计算精度，而质量差的网格会降低计算结果的精度，甚至会使每一步迭代计算过程中的残差值过大，计算发散。一般来说，根据排布形式可将网格分为结构型和非结构型两种。结构型网格排布规律，能够很好的体现处模型的几何特性，有
【参考文献】：
期刊论文
[1]高超声速气动热数值模拟的网格模式相关性研究[J]. 吕水燕,张传侠,叶坤,徐健. 兵器装备工程学报. 2019(03)
[2]半球形整流罩厚度对气动热辐射的影响[J]. 王惠,党凡阳,张荣达,明月,范志刚. 红外与激光工程. 2018(12)
[3]可降低气动热效应的类凹腔外形优化设计[J]. 刘芙群,李波,孙晓峰,张亮. 航天器环境工程. 2018(03)
[4]转塔气动光学效应时空特性[J]. 董航,徐明. 光学学报. 2018(10)
[5]无控飞行弹箭气动加热特性[J]. 张俊,田中旭,韦甘,陈炜,孙晓明. 探测与控制学报. 2018(02)
[6]基于变形镜的气动光学效应仿真实验研究[J]. 王琳,孔令琴,赵跃进,刘明,董立泉,惠梅,刘艺. 光学技术. 2018(01)
[7]拉盖尔-高斯光束在凸台周围的气动光学效应[J]. 蒋倩雯,辛煜,张淇博,许凌飞,赵琦. 激光与光电子学进展. 2018(04)
[8]气动光学效应湍流脉动模型系数修正[J]. 潘宏禄,李俊红,程晓丽,马汉东. 计算物理. 2018(02)
[9]高超声速气动力/热/结构多场耦合分析[J]. 苑凯华,程萌. 战术导弹技术. 2017(05)
[10]超声速气膜冷却时的光学性能优化设计[J]. 易司琪,丁浩林,龙志强. 应用光学. 2017(04)
硕士论文
[1]反向喷流干扰下的高超声速钝体气动特性研究[D]. 王腾.哈尔滨工业大学 2013
[2]真实气体效应影响下的高超声速气动加热计算方法[D]. 孙伟.南京航空航天大学 2013
本文编号：2996697
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
实验装置示意图[43]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文8图1-2Herssert宇航实验室边界层波前测量装置[47]2012年，Wang等对超音速条件下飞行器高速飞行产生的复杂流场包括剪切层和湍流边界层进行了研究，利用大涡模拟方法计算出该流场的密度分布，并将密度分布重构为折射率分布，利用折射率结果计算光波穿过该流场后的波前畸变，最后将利用探测器测得的波前畸变数值与计算值对比，表明该仿真方法可靠性很高[48]。2014年，西北工业大学的赵刚等提出了一种快速仿真算，该方法以统计学为原理，建立了一种高速湍流统计模型，该算法能够有效的实时复原因高速飞行器气动效应而劣化的图像，具有较高的研究价值[49]。2016年，宋敏敏等从红外辐射角度入手，着重研究高速飞行器高速飞行时产生大量热辐射的机理，以及红外辐射对红外成像探测系统的影响[50]。2016年，李征威等人创新性的用气体透镜来替代高速飞行器光学窗口附近的流场，并用该气体透镜研究光线穿过流场的光传输效应。基于有限元理论利用成熟的CFD流场仿真软件计算得到2.5Ma飞行速度的整罩外流场特性，再根据流场仿真外流场参数等效计算出气体透镜的参数，包括折射率与焦距，计算光线通过该透镜的偏移与抖动，结果表明该飞行速度时外流场的折射率因密度不均匀而导致的非均匀分布对光传输结果影响很小，甚至可以忽略不记。最后利用风洞实验得到实际的光传输结果，并与气体透镜方式的结果进行比较，证明该方法的正确性[51]。2017年，南京理工大学的蒋倩雯等对具有凸台结构的飞行器其凸台附近的光传输进行了研究，分别利用LG光束和高斯光束穿过该流场，得到了穿过流场后光束光强的衰减程度以及波前畸变程度。结果表明，对于LG光束，穿过流场后的光束光强与目标像的偏移程度受拓扑荷数的影响。相位方面，
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文24第3章喷流冷却条件下高速飞行器外流场气动特性仿真分析3.1高速飞行器外流场有限元模型建立本章根据有限元思想和流体力学原理，建立了喷流冷却条件下头罩具有凹腔结构的高速飞行器外流场有限元计算模型。建立底面直径0.18m，长径比为1，喷口位于头罩中点处，气动光学窗口为凹窗结构，凹腔下沉5mm，喷口宽度为5mm，光学窗口的长度为30mm，靠近弹顶的凹窗面设为喷口，喷流方向为沿着弹体方向，具有凹腔的双曲型、抛物型、圆锥型、椭球型、冯卡门型、正弦型头罩和外流场的计算模型，根据实际飞行时飞行器周围流场的特性采取相应的网格划分方式，根据实际飞行情况设置CFD仿真参数。研究不同飞行工况、头罩面型、喷流参数的高速飞行器外流场气动特性。下图为高速飞行器冯卡门型头罩的几何模型。图3-1高速飞行器冯卡门型头罩的几何模型3.1.1网格类型的选取根据第二章相关内容可知，计算时需要把连续的空间离散成微元体，而实际计算中，采用划分网格的方式，将连续空间离散化成大量网格，可以说划分网格是仿真计算流体力学问题的基矗由于将划分后的网格视作空间离散后的微元，则网格的优劣直接影响仿真计算的结果，好的网格能够很好的体现处流体的流动特性，有利于保证计算精度，而质量差的网格会降低计算结果的精度，甚至会使每一步迭代计算过程中的残差值过大，计算发散。一般来说，根据排布形式可将网格分为结构型和非结构型两种。结构型网格排布规律，能够很好的体现处模型的几何特性，有
【参考文献】：
期刊论文
[1]高超声速气动热数值模拟的网格模式相关性研究[J]. 吕水燕,张传侠,叶坤,徐健. 兵器装备工程学报. 2019(03)
[2]半球形整流罩厚度对气动热辐射的影响[J]. 王惠,党凡阳,张荣达,明月,范志刚. 红外与激光工程. 2018(12)
[3]可降低气动热效应的类凹腔外形优化设计[J]. 刘芙群,李波,孙晓峰,张亮. 航天器环境工程. 2018(03)
[4]转塔气动光学效应时空特性[J]. 董航,徐明. 光学学报. 2018(10)
[5]无控飞行弹箭气动加热特性[J]. 张俊,田中旭,韦甘,陈炜,孙晓明. 探测与控制学报. 2018(02)
[6]基于变形镜的气动光学效应仿真实验研究[J]. 王琳,孔令琴,赵跃进,刘明,董立泉,惠梅,刘艺. 光学技术. 2018(01)
[7]拉盖尔-高斯光束在凸台周围的气动光学效应[J]. 蒋倩雯,辛煜,张淇博,许凌飞,赵琦. 激光与光电子学进展. 2018(04)
[8]气动光学效应湍流脉动模型系数修正[J]. 潘宏禄,李俊红,程晓丽,马汉东. 计算物理. 2018(02)
[9]高超声速气动力/热/结构多场耦合分析[J]. 苑凯华,程萌. 战术导弹技术. 2017(05)
[10]超声速气膜冷却时的光学性能优化设计[J]. 易司琪,丁浩林,龙志强. 应用光学. 2017(04)
硕士论文
[1]反向喷流干扰下的高超声速钝体气动特性研究[D]. 王腾.哈尔滨工业大学 2013
[2]真实气体效应影响下的高超声速气动加热计算方法[D]. 孙伟.南京航空航天大学 2013
本文编号：2996697
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