基于球谐离散坐标法的高超声速飞行器尾焰紫外辐射特性研究

发布时间：2020-09-03 20:06

　　 本文基于高超声速飞行器尾焰紫外探测的应用需求,研究了高超声速飞行器尾焰的物理特性,分析了尾焰中不同紫外辐射源函数的辐射机理,将计算大气辐射特性的球谐离散坐标法引入到尾焰紫外辐射传输方程的求解过程,讨论了不同紫外辐射源函数对尾焰紫外辐射特性的影响。论文的主要研究工作包括:1.将服从正态分布的基本粒子半径引入DLA算法,建立了尾焰中氧化铝簇团粒子模型;基于多球T矩阵算法,研究了氧化铝簇团粒子相态、分形维数及基本粒子数目对单个氧化铝簇团粒子散射相函数、线偏振特性及非球形性的影响,并与等体球、等面球及基本粒子半径相等的簇团粒子的散射特性进行了比较;将分别采用多球T矩阵算法和CST软件计算的氧化铝簇团粒子的散射特性进行了对比,两者计算结果吻合较好。2.给出了一种计算尾焰中氧化铝簇团粒子统计平均光学特性的算法;研究了基本粒子数目和探测波长对氧化铝簇团粒子统计平均散射相函数、不对称因子、单次反照率、消光效率因子、吸收效率因子及散射效率因子的影响;分析了基本粒子半径服从不同分布的氧化铝簇团粒子的统计平均光学特性;对比了不同氧化铝粒子模型对其统计平均光学特性的影响。3.根据黑体辐射理论,计算了尾焰中不同氧化铝粒子模型在紫外波段粒子热辐射的辐射亮度;采用“碰撞-辐射”模型研究了尾焰中OH和NO气体分子能级数密度的求解算法,根据紫外波段的各气体分子对应的谱线强度、线型函数、能级数密度和普朗克函数,计算了气体分子化学荧光辐射的光谱发射系数,将仿真模拟的OH气体分子化学荧光辐射的光谱发射系数与文献中Atlas飞行器尾焰数据进行了对比,两者结果吻合较好。4.扩展了球谐离散坐标法中的辐射源函数,引入了氧化铝簇团粒子热辐射源函数、OH和NO气体分子化学荧光辐射源函数及氧化铝簇团粒子的内散射源函数,将计算大气辐射特性的球谐离散坐标法引入到尾焰紫外辐射传输方程的求解过程;采用球谐离散坐标法计算了尾焰紫外辐射亮度,并与实验数据进行了对比,两者结果吻合较好;讨论了尾焰中各辐射源函数对其紫外辐射特性的影响。5.建立了高超声速飞行器固体火箭推进剂和液体燃料推进剂尾焰的紫外辐射模型,并基于球谐离散坐标法研究了多种情况下尾焰的紫外辐射特性。在固体火箭推进段,尾焰的紫外辐射源主要为氧化铝簇团粒子热辐射、OH和NO气体分子的化学荧光辐射及由氧化铝簇团粒子散射所引起的辐射,分析了飞行高度、发动机推力、探测波段、考虑复燃和不考虑复燃情况下高超声速飞行器尾焰的紫外辐射特性;在液体燃料推进段,尾焰的紫外辐射源主要为OH气体分子的化学荧光辐射,主要研究了飞行速度、攻角及飞行高度对高超声速飞行器尾焰紫外辐射特性的影响。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V219;V419
【部分图文】：

西安电子科技大学博士学位论文中氧化铝簇团粒子的物理特性尾焰中氧化铝簇团粒子的相态箭推进段的高超声速飞行器尾焰的最高温度一般在 3000K 以上为 2310K，结晶温度为 2273K。因此，尾焰中的氧化铝粒子呈现象。Dill 等[57]指出在火箭发动机羽烟中存在 alpha 相和 g并给出了三种不同型号发动机中各相态氧化铝粒子数占总粒子 等[64]对氧化铝粒子的相变过程进行了深入的研究，详细阐述了

图 2.3 飞行器尾焰中氧化铝簇团粒子的电镜扫描照片[106]。一步求解尾焰中氧化铝簇团粒子的散射特性，我们将基于上特性对其进行建模。中氧化铝簇团粒子建模子建模的两个常用模型分别是扩散限制凝聚模型（DLA）[107]08]。DLA 模型常假设一个中心凝聚点，其他基本粒子逐个向这则是令所有的基本粒子同时进入一个空间区域并进行随机运凝聚成团并进一步与其他基本粒子或簇团凝聚，直到所有的个簇团。当基本粒子数较小时，两种模型的建模精度没有太要采用 DLA 方法对尾焰中的氧化铝簇团粒子进行建模。 DLA 算法主要用于生成基本粒子半径相等的簇团[109]，而根据氧化铝簇团粒子的基本粒子半径r 服从均值gr为 100nm、标

焰中主要的紫外辐射源超声速飞行器在发射阶段是由固体火箭发动机和超燃冲压发动机提供动力。燃料的推进效率，在固体火箭推进剂中常会添加铝粉等轻金属，而超燃冲压要以液氢、碳氢燃料[118]为主。含铝粉的固体燃料在燃烧时会生产大量的氧化而液氢和碳氢等液体燃料的燃烧产物中含有大量的气体分子。另外，飞行器含有大量的未充分燃烧的燃料，其中含有氧、氢、碳及氮等分子。行器尾焰中的高温氧化铝粒子会呈现黑体辐射特性，将向外进行紫外辐射。温粒子热辐射是尾焰中的紫外辐射源之一。而高超声速飞行器尾焰中的气体于热化学非平衡态，多组分气体之间碰撞后将发生内能级激发、电离、离解等一系列复杂的物理化学过程，在此期间会向外进行紫外辐射。这一过程称子的化学荧光辐射，是尾焰中重要的紫外辐射源。根据图 4.1，我们可知，外探测器的响应峰值波段（245nm、280nm 和 310nm），尾焰中向外进行紫外要气体分子是 OH 和 NO。

【参考文献】

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1 周金伟;李吉成;石志广;陈小天;卢晓卫;;高超声速飞行器红外可探测性能研究[J];光学学报;2015年05期

2 赵阳生;杜小平;;高温气体分子光谱系数计算方法研究[J];激光与光电子学进展;2013年12期

3 柴栋;方洋旺;童中翔;李建勋;;超燃冲压发动机喷管红外辐射特性数值模拟[J];航空学报;2013年10期

4 穆磊;马宇;贺志宏;董士奎;;高速钝锥体非平衡绕流场光辐射特性模拟[J];工程热物理学报;2012年11期

5 马丽;杨建军;张维刚;;高超声速飞行器发展综述[J];飞航导弹;2012年06期

6 彭志敏;丁艳军;杨乾锁;姜宗林;;基于OH自由基A~2Σ~+→X~2Π_r电子带系发射光谱的温度测量技术[J];物理学报;2011年05期

7 Francois Falempin;;法国高超声速冲压发动机技术研究(英文)[J];推进技术;2010年06期

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1 李佳玉;相变过程中的高温粒子辐射特性[D];哈尔滨工业大学;2009年

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2 冯苌春;高速流场中弓形激波的紫外辐射特性建模[D];哈尔滨工业大学;2015年

本文编号：2811902