临近空间高超声速飞行器绕流红外辐射特性数值模拟研究

论文摘要

高超声速飞行器具有重要的战略意义和极高的应用价值,当前许多发达国家都在着手研究高超声速技术,相继将研制高超声速飞行器作为其国家目标来实现。在众多的高超声速武器研制计划中,临近空间高超声速飞行器是一种新型的战略威慑和战术运用武器平台,具有全球攻击、机动作战等特点,特别是在远程打击、快速突防、电子压制、对地侦察和预警等方面极具发展潜力,在国家安全体系中具有极高的军事战略价值。对于临近空间高超声速飞行器而言,气动加热引起的热辐射将是其红外辐射特征的最主要组成部分。因此,开展临近空间高超声速飞行器绕流红外辐射特性研究,对于寻求发展其新的先进有效的红外隐身技术,成功研制出适应未来高技术战争的临近空间高超飞行器具有十分重要的意义。本文研究工作的目的就是要探索和建立一种能够数值模拟临近空间高超声速飞行器红外辐射特征的方法,建立系统的气动热与红外辐射特征预测体系,从而为进一步研究临近空间高超声速飞行器的红外隐身技术奠定基础。本文针对飞行速度范围为Ma=47,飞行高度范围为H=1533km,具有长时间热载荷和非烧蚀构型等特点的临近空间高超声速飞行器绕流流场红外辐射特性的数值模拟方法进行了初步探索性研究。在本文中假设流场和辐射场是可解耦的,即:在计算流场时不计热辐射的影响,然后利用已知的流场参量,计算空气介质的辐射物性参数以及辐射场参量。因此,本文中红外辐射特性数值模拟研究主要由三部分组成:流场数值模拟、辐射强度场数值模拟和空气辐射物性计算。在流场数值模拟部分,为了能够获得较为准确的气动热数据,采用了Jameson中心格式求解基于完全气体模型的Navier-Stokes方程组的方法;采用的湍流模型为Baldwin-Lomax模型。在辐射强度场数值模拟部分,借鉴封闭腔内介质辐射换热数值计算的思想,通过引入“假想界面”建立了封闭辐射换热系统计算模型;采用有限体积法（FVM）求解热辐射传输方程。在空气辐射物性计算部分,采用逐线计算法（Line-by-Line）来计算气体的辐射吸收系数,所需的气体谱线参数由美国HITRAN数据库获得。高超声速飞行器设计一般采用乘波体构型。本文对乘波体构型的基本构造原理和设计方法进行了探讨,重点介绍了源于楔形流场和正圆锥流场的乘波体构型的设计方法,并且根据高超声速锥型流的近似解析解建立了锥导乘波体模型。在确立数值模拟方法的基础上,编制了相应的计算机程序,实现了流场、空气辐射物性和辐射强度场的一体化数值模拟计算。通过实例校验计算表明,建立的方法和程序具有一定的可靠性。最后,以建立的锥导乘波体构型作为合理的飞行器物理模型,计算了其35 ? m波段内的红外辐射特性,计算结果能够反映出其红外辐射特性空间分布规律,表明本文中建立的数值模拟方法及相应的计算程序具有一定的可信度。本文的工作为后续进一步深化研究临近空间高超声飞行器红外辐射特性打下了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 总体工作方案
• 1.2.1 基本假设
• 1.2.2 辐射计算模型
• 1.2.3 总体工作流程
• 1.3 相关研究现状综述
• 1.3.1 气动加热问题计算方法研究现状
• 1.3.2 高温气体辐射特性研究现状
• 1.3.3 热辐射传输数值方法研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 流场数值模拟方法
• 2.1 流动控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 Jameson 中心差分格式
• 2.3.2 人工粘性项
• 2.3.3 时间推进法
• 2.3.4 加速收敛方法
• 2.4 定解条件
• 2.4.1 标准大气
• 2.4.2 边界条件
• 2.5 本章小结
• 第三章 辐射强度场数值模拟方法
• 3.1 热辐射控制方程
• 3.1.1 热辐射传输方程（RTE）
• 3.1.2 辐射能量方程
• 3.2 有限体积计算方法（FVM）
• 3.2.1 一定波段的热辐射传输方程
• 3.2.2 辐射传输方程的离散
• 3.2.3 离散方程的求解
• 3.3 边界条件的处理
• 3.3.1 壁面边界
• 3.3.2 假想界面
• 3.4 本章小结
• 第四章 热空气辐射特性计算方法
• 4.1 气体辐射原理简介
• 4.1.1 气体辐射机制
• 4.1.2 光谱线的增宽效应
• 4.2 计算方法
• 4.2.1 逐线计算法（Line-by-Line）
• 4.2.2 空气的辐射特性
• 4.3 本章小结
• 第五章 乘波构型及网格生成
• 5.1 引言
• 5.2 乘波构型设计原理
• 5.2.1 源于楔形流场的乘波构型
• 5.2.2 源于锥体流场的乘波构型
• 5.3 锥导乘波构型
• 5.4 网格生成
• 5.4.1 网格拓扑选择
• 5.4.2 网格生成方法
• 5.5 本章小结
• 第六章 计算结果及分析
• 6.1 校验算例
• 6.1.1 流场计算校验
• 6.1.2 气体吸收系数计算校验
• 6.1.3 辐射强度场计算校验
• 6.2 乘波体绕流红外辐射特性数值模拟
• 6.2.1 流场计算
• 6.2.2 空气辐射物性计算
• 6.2.3 红外辐射强度场计算
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢