超声速混合层气动光学效应机理及控制方法研究

发布时间：2020-06-03 05:31

【摘要】：对于各类精确制导武器而言,采用红外成像制导是目前实现精确打击的主流制导方式之一。然而,光学窗口周围复杂的流动结构(如混合层、湍流边界层、激波和膨胀波等)会产生如目标图像偏移、模糊和抖动等现象的气动光学效应,它是影响高速武器打击精度的一个重要因素,已成为研究热点。论文以超声速混合层为研究对象,重点对混合层涡结构流动特性、混合层气动光学效应的空间和时间演化规律以及混合层气动光学效应的控制方法开展了较为深入的研究。揭示了混合层气动光学效应和流场涡结构流动特性之间的关系,完成了混合层气动光学效应的机理研究;分别从调制和抑制涡结构的角度研究了能够有效降低混合层气动光学效应的校正和控制方法。具体而言,论文的主要研究工作如下:⑴对混合层涡结构的瞬时对流速度开展了研究。混合层涡结构的对流速度是反映涡结构流动特性的重要参数,考虑不同尺寸的单个涡结构及参与配对-融合过程的两个相邻涡结构,使用涡核位置提取方法,分别计算它们的瞬时对流速度并进行分析。结果表明:对单个涡结构而言,其瞬时对流速度具有脉动特性且脉动幅度随涡结构尺寸而变化;对参与融合的两个相邻涡结构而言,各个涡结构的瞬时对流速度都表现出类似正弦波动的特点。此外,还研究了混合层对流马赫数、混合角度和来流组份等因素对涡结构演化的影响。⑵开展了超声速混合层气动光学效应空间和时间演化规律的建模和数值验证研究。在深入分析涡结构流动特性与混合层气动光学效应之间关系的基础上,使用混合层来流参数及合理假设,分别对混合层气动光学效应的空间和时间演化规律进行了数学建模,并以典型超声速混合层流场为例对构建的数学模型进行了有效性验证。提出了考虑对流马赫数影响的混合层生长率预估公式,与当前其它预估公式相比,新预估公式考虑了压缩性的影响,具有更好的适应性。⑶对超声速混合层气动光学效应的控制方法进行了研究。基于混合层涡结构与其气动光学效应之间的对应关系,分别从调制和抑制涡结构的角度出发,提出了相应的气动光学效应校正和控制方法。其中,调制涡结构通过对混合层的周期性控制来实现,而抑制涡结构生长通过在混合层上游施加吹/吸气控制来实现,并分别进行了数值和风洞实验验证。总结出描述控制周期、涡结构空间尺寸和涡结构对流速度之间关系的数学公式,即受周期性控制流场中涡结构的空间尺寸等于控制周期和涡结构平均对流速度的乘积,这个经验公式能够用于预估受控混合层涡结构的空间尺寸。对于上游吹气控制,还分析了吹气强度对抑制下游混合层涡结构生长的影响,发现适当强度的吹气能够取得更好的抑制效果。⑷使用直接模拟蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法对临近空间超声速混合层的生长特性进行了数值探索。通过提取混合层边界,分析了混合层厚度在不同高度的变化规律并定量计算了混合层在不同高度的生长率。结果表明:混合层生长率随高度的增加而增加,且高度越高混合层生长率的增加越显著;对于相同的高度,混合层生长率随流向距离的增加有减小的趋势。本论文的创新点:1.揭示了混合层二维涡结构对流速度的特性以及涡结构在周期性调制下所表现出的生长特性(即受控涡结构的空间尺寸在数学上近似等于涡结构平均对流速度与调制周期的乘积);2.构建了描述混合层气动光学效应空间和时间演化规律与流场中涡结构流动特性之间关系的数学模型;3.提出了调制和抑制涡结构等两种控制混合层气动光学效应的途径,并对具有工程应用价值的光学头罩气动光学效应控制方法(上游吹气和吸气)进行了风洞实验研究。
【图文】：

示意图,气动光学效应,红外成像制导,导弹

第一章绪论究背景与意义于具有良好的成像效果和抗干扰能力，红外成像制导是目前高速导弹实打击的主流制导体制之一。然而，高速飞行使其光学头罩与周围来流发作用，在光学窗口上方会形成湍流边界层、激波和膨胀波等复杂的流场光学窗口本身也会因为与高速来流的强烈摩擦而产生较强的气动热效应窗口因气动热而变形，需要在光学窗口前缘水平喷射冷却剂以对光学窗隔离高速来流，由此冷却喷流与外部来流相互作用形成混合层流动。当对目标成像并进行识别和跟踪时，光学窗口上方的复杂流动结构会引起移、模糊和抖动，此即称为气动光学效应(Aero-Optics Effects)[1]，如下其中，冷却喷流与外部来流相互作用形成的混合层流动是产生气动光学要来源[2]。

示意图,混合层流动,示意图,混合层

大学博士学位论文第一，相邻的涡结构还会发生“配对”与“融合”等过程。在混合层研究的ke[9]采用线性稳定性分析方法证明了混合层中存在涡结构，Brown 和 R验在低速混合层流动中发现了大尺度涡结构，，认为涡结构是混合层发展表现形式，且主导了混合层流动的动力学行为。Rogers 和 Moser[11]首次模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)方法证明了混合层流场中涡结onkewitz 和 Heurre[12]证明了 K-H 不稳定性对混合层中复杂的流动确实，使流动在流场下游逐渐形成了流向大尺度的涡结构。Winant 和 Bro动显示技术对中等雷诺数下的混合层进行了研究，结果表明流场中涡结后相邻涡-涡之间配对和融合现象是混合层生长的根本原因。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ765.3

【参考文献】