机载光学平台平均流场气动光学效应研究

使用选区电子衍射软件模拟机载光学平台绕流流场,根据绕流流场定量研究了气动光学平均流场效应的性质及其随激光传输角度的变化。发现平均流场气动光学效应引起的波前畸变主要是低阶像差,整体倾斜占比约92%,整体倾斜、离焦和像散三项总和占比平均值99%以上;随传输方向变化,波前像差均方根值以及波前性质有显著不同:对于不同的传输方向,光程差(OPD)均方根值(RMS)的变化范围从0.13～1.20μm,光轴偏向角的变化范围从1～12μrad。去倾斜后的波前像差引起的光束质量因子β值,对所有方向的统计平均值为1.8;校正了离焦和像散后,光束质量因子β值的平均值为1.16。光束质量因子β值随口径增加而增加,无自适应光学校正时变化规律接近线性。     

共形转塔气动光学效应时空特性研究

研究了相同马赫数、相近雷诺数、不同口径(400 mm和2 000 mm)共形转塔的气动光学效应, 系统地给出了发射方向不同时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。发现多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分, 平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明,缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性, 但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择, 指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时, 气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小, 并且发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加, 但湍流效应基本不变。     

转塔气动光学效应时空特性

通过对相同马赫数、相近雷诺数、不同转塔口径(400mm和2000mm)的绕流流场模拟和气动光学效应进行分析,给出了不同发射方向时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。结果指出:多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分,平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明:缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性,但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择,指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时,气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小。分析了前向发射时发射口径的影响,指出发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加,但湍流效应基本不变。     

共形转塔气动光学效应时空特性研究（英文）

研究了相同马赫数、相近雷诺数、不同口径(400 mm和2 000 mm)共形转塔的气动光学效应,系统地给出了发射方向不同时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。发现多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分,平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明,缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性,但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择,指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时,气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小,并且发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加,但湍流效应基本不变。     

光学窗口凹腔流场的光学传输效应研究

当带有光学成像探测制导系统的高速飞行器在大气层内飞行时,光学窗口与来流之间会形成复杂的凹腔绕流流场,产生气动光学效应。建立了求解超声速流场的高精度LES/RANS混合算法模型,研究了超声速流动条件下的Settles三维凹腔流动;在计算得到精确流场数据的基础上,研究了凹腔剪切层区域的光学传输效应。结果表明,凹腔流动的剪切层结构将引起光线抖动,导致严重的波面畸变,明显降低光强斯特雷尔(Strehl)比,严重影响光学传输性能,进而大大降低光学制导精度。     

基于折射率梯度门限的气动光学窗口光传输研究

基于流场界面厚度（Interfacial—Fluid—Thickness,IFT）理论,建立了高折射率梯度门限模型来研究气动光学窗口光传输畸变。首先在光学窗口折射率梯度场基础上,提出高折射率梯度门限,忽略绝对值低于该门限的折射率梯度值,重构折射率场,并对其气动光学传输效应进行仿真。结果表明,当58．37％的梯度值被忽略时,得到的重构折射率场与原折射率场仿真光程差（OPD）最大相对误差不超过1．5％,验证了气动光学窗口高折射率梯度区域是产生光传输畸变的主要原因,也证实了该门限模型对气动光学窗口光传输效应进行仿真的可行性,对气动光学失真的机理、预测及校正有一定的指导意义。     

高超声速湍流流场高折射率梯度区域气动光学畸变仿真研究

基于折射率界面厚度的描述建立了一种高折射率梯度门限的数学模型,在此梯度门限下,研究了高超声速流场中高折射率梯度区域的气动光学传输效应.提出了一种用折射率梯度的调和平均值描述高折射率梯度门限的方法.采用高超声速流场的计算流体力学结果作为分析折射率梯度和进行气动光学传输仿真的源数据,忽略绝对值低于该门限的梯度值重构折射率场,并采用变折射率介质中光线追迹算法仿真其气动光学传输畸变.不同流场状况、不同位置截面的仿真结果表明,采用本门限,重构折射率场和原折射率场的相关性达0.9以上,仿真光程差均方根的相对误差不超过±5%,验证了该高折射率梯度门限模型的有效性和适用性,同时从数值角度证实了高超声速湍流流场中高折射率梯度区域是气动光学传输畸变的主要成因.     

超音速湍流脉动流场气动光学效应分析

对高超音速飞行器在大气中飞行时所产生的湍流脉动气动光学效应进行了理论分析与计算.根据CFD计算流场时所使用的湍流模型及其控制方程,推导出流场的折射率脉动方差控制方程.用统计方法,求出该脉动流场的系综平均光学传递函数及相位均方差,从不同角度描述了湍流脉动的气动光学效应.计算结果表明,气动光学传输函数的幅度响应函数具有低通特征,使所获得的图像发生像模糊,而相位响应函数则导致红外成像相位非线性偏移.此外,在相同飞行高度下,马赫数越高,图像模糊越严重.电弧风洞实验结果验证了本文理论分析的正确性.     

超音速湍流脉动流场气动光学效应分析

对高超音速飞行器在大气中飞行时所产生的湍流脉动气动光学效应进行了理论分析与计算.根据CFD计算流场时所使用的湍流模型及其控制方程,推导出流场的折射率脉动方差控制方程.用统计方法,求出该脉动流场的系综平均光学传递函数及相位均方差,从不同角度描述了湍流脉动的气动光学效应.计算结果表明,气动光学传输函数的幅度响应函数具有低通特征,使所获得的图像发生像模糊,而相位响应函数则导致红外成像相位非线性偏移.此外,在相同飞行高度下,马赫数越高,图像模糊越严重.电弧风洞实验结果验证了本文理论分析的正确性.     

超高声速飞行器光学窗口气动光学效应分析

超高声速飞行器在大气中飞行时,由于气动热和气动力的作用,光学窗口会产生严重的气动光学效应,使目标图像发生像偏移、抖动、模糊和能量衰减。利用有限元分析方法对光学窗口的热光效应、弹光效应和窗口热变形进行研究,计算了由热光学效应、光学窗口热变形引起的点扩散函数峰值大小及峰值位置(像偏移)随时间的变化趋势。根据对温度场的分布分析,计算了温度梯度对透过率的影响以及透过率与窗口热辐射随时间变化的趋势,可为光学窗口的设计、材料的选择及后期的图像处理提供依据。     

球面旋涂光刻胶膜厚分布的数学模型

提出了球面旋涂微米级厚度光刻胶膜层薄化率公式及径向位置演变公式,并得到了膜厚分布的演变公式。与平面涂胶相比,球面涂胶离心力及重力分量是在不断的变化。根据平面旋涂运动方程及球面面形特征,给出了球面旋涂运动方程;结合流体层流的表面条件及不可压缩流体的质量连续方程,推导出了膜厚h及径向位置r对时间t的演变公式,并得到了在径向位置r处初始厚度为h0的膜厚演变的数学模型。通过对模型参数的分析可知,球面旋涂光刻胶应采用主从轴偏心旋涂,旋涂时工件的开口应朝向侧面(旋转轴水平)。     

压缩湍流剪切层-空腔流体气动光学效应的计算机仿真

对亚音速机载光电系统由于剪切层-腔流体而导致的气动光学效应进行了数值模拟.剪切层内的压缩效应用对流马赫数0.8表示,腔体的几何形状为L/H=6.7,平均腔内温度为230 K.应用商用CFD软件对这个非稳定二维流体进行了仿真.结果表明Strehl比随着波长的增加而增大,但是模糊角却变得相对复杂.证明了波长效应并给出了优化的波长模型λ*=2πσt.     

水翼表面粗糙带对空化抑制效果的数值研究

为研究水翼表面粗糙带对空化的抑制效果,在修改的NACA16翼型吸力面施加一粗糙带,对在不同粗糙带条件下翼型的水动力学特性和周围流场进行了数值模拟研究,得到了升阻力系数、吸力面最小压力系数和近壁面湍动能随粗糙带变化的趋势,探讨了水翼表面粗糙带对抑制表面空化的效果。结果表明,随着粗糙带宽度和高度的增大,翼型周围流场的压强显著升高并使吸力面的最低压力高于饱和蒸汽压,从而延缓了初生空化的发生。该结果为认识粗糙带对水翼抗空蚀性能的影响提供了参考。     

Stability of hydromagnetic Dean flow between two arbitrarily spaced concentric circular cylinders in the presence of a uniform axial magnetic field

The effect of a uniform axial magnetic field on the stability of the flow of an incompressible viscous electrically conducting fluid between two arbitrarily spaced concentric circular cylinders driven by a constant azimuthal pressure gradient is studied. The linearized stability equations for steady axisymmetric disturbances form an eigenvalue problem, which are solved by using a classical Runge–Kutta scheme combined with a shooting method, termed unit disturbance method. It is observed that for fixed gap width, the magnetic field has a stabilizing influence on the flow for both perfectly conducting and nonconducting walls. It is also found that for a given value of magnetic parameter, stabilization is more as the gap width increases. Further the electrically nonconducting walls are found to be more destabilizing than the perfectly conducting walls. The critical value of the radii ratio (0<η<1) beyond which the first unstable mode becomes nonaxisymmetric is determined for various values of the magnetic parameter.     

New Equation for Predicting Pipe Friction Coefficients Using the Statistical Based Entropy Concepts

In general, this new equation is significant for designing and operating a pipeline to predict flow discharge. In order to predict the flow discharge, accurate determination of the flow loss due to pipe friction is very important. However, existing pipe friction coefficient equations have difficulties in obtaining key variables or those only applicable to pipes with specific conditions. Thus, this study develops a new equation for predicting pipe friction coefficients using statistically based entropy concepts, which are currently being used in various fields. The parameters in the proposed equation can be easily obtained and are easy to estimate. Existing formulas for calculating pipe friction coefficient requires the friction head loss and Reynolds number. Unlike existing formulas, the proposed equation only requires pipe specifications, entropy value and average velocity. The developed equation can predict the friction coefficient by using the well-known entropy, the mean velocity and the pipe specifications. The comparison results with the Nikuradse’s experimental data show that the R2 and RMSE values were 0.998 and 0.000366 in smooth pipe, and 0.979 to 0.994 or 0.000399 to 0.000436 in rough pipe, and the discrepancy ratio analysis results show that the accuracy of both results in smooth and rough pipes is very close to zero. The proposed equation will enable the easier estimation of flow rates.     

Imaging deviation through non-uniform flow fields around high-speed flying vehicles

The non-uniform flow field around high-speed flying vehicle “bends” the ray and imposes a deviation at the end of the propagation path. This imaging deviation is a kind of aero-optic effect. In this paper, we catalog the factors that influence the deviation into two classes: the vehicle-related factors and the flowfield-related factors. Flow density computation and density–refractive index conversion are discussed. A backward ray-tracing scheme is proposed. The deviations, the propagation path distances in the non-uniform flow field, and the density distributions along propagation paths for two different flying cases are computed. Three flowfield-related factors should be considered in order to reduce the deviation: the propagation path distance in the non-uniform flow field, which should be as short as possible; the angle of incidence at the freestream boundary, which should be as small as possible; and the density distribution along propagation path in the non-uniform flow field, which should be as flat as possible.     

一切电磁感应都取决于金属电子受洛伦兹磁场力

研究表明:一切电磁感应的计算都取决于金属电子受洛伦兹磁场力的导线形状,却不取决于磁通量变化率对微分变量进行的旋度运算;特别是基于电子论证明了楞茨圆形线圈上的圆形电流及其围绕圆形线圈的流动电荷携带了圆形流动电场;基于电子论否定了法拉第磁通量变化率产生的电动势及其旋度电场。     

二相流场中粒子的衍射散射对叠栅偏折图的影响

本文介绍了光的小粒子的衍射散射,在此基础上,对二相气体流场的参数进行了描述,理论导出了二相流场中粒子的衍射散射对叠栅偏折图的影响表达式,给出几个重要结论。     

基于阻尼LSQR-LMBC的火焰三维温度场重建

光场相机可以解决辐射测温多相机系统光路复杂、同步触发难等问题,在辐射成像三维温度重建时有其独特优势. LSQR是求解基于大型稀疏矩阵最小二乘问题的经典算法,该算法用于重建三维温度场时对温度初值依赖较大,在信噪比较低的情况下重建精度不理想.本文提出阻尼LSQR-LMBC重建算法,通过在LSQR方法中添加阻尼正则化项,提高火焰三维温度场重建的抗噪性能,并结合LMBC算法,实现吸收系数和三维温度场同时求解.在数值模拟部分,随着信噪比逐渐降低,阻尼LSQR的重建效果比LSQR更加稳定,在信噪比达到13.86 d B时,重建精度大约提高30%.阻尼LSQR-LMBC的平均重建误差为6.63%.用丁烷火焰进行了实验,重建的丁烷火焰三维温度场分布符合辐射火焰燃烧的特征,和热电偶的测温数据结果进行对比,相对误差在6.8%左右.