可压缩混合层气动光学效应研究

建立具有普适性的流场光学传输效应计算方法,针对脉动流场的光学传输计算方法可以预测空间非均匀分布的脉动流场引起的光学传输效应.以高阶紧致差分格式求解三维可压缩滤波N-S方程,对可压缩混合层流动进行空间模式的大涡数值模拟,得到流动失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程,采用时间模式的直接数值模拟进行对比验证.分析流动不同阶段对光学传输效应的影响,初步讨论流场特性与光学传输效应之间的联系,计算结果表明,在转捩区域流场引起的成像畸变最为严重.     

高超声速再入试验的辐射光谱定量测量

利用膨胀管对宽度为45 mm和90 mm的半圆柱模型进行了地球再入高超声速流动试验,再入速度为8 km/s。试验利用配有ICCD相机的光谱仪,测量了具有空间分辨的激波后辐射光谱,光谱范围为250~550 nm,得到了沿流体方向的激波辐射轮廓线。分析发现在该光谱范围内辐射主要为CN(B-X)带系分子光谱。利用卤钨灯对该波段光谱进行定标,得到了激波层辐射的绝对辐射亮度。通过采用两种模型辐射亮度对模型宽度归一化后发现,绕流场高温气体辐射存在较强的自吸收现象,同时观测到了绕流场激波的三维效应。通过实验发现,CN(B-X)Δv=0带系的3-3振动带系385.2 nm波长位置和0-0带系388.4 nm波长位置辐亮度之比随着流场靠近模型边缘而逐渐下降,这表明激波层内辐射的动态非平衡特征。     

再入飞行器流场热辐射输运解算方法库研究

基于若干热辐射输运求解方法的一维辐射平衡和温度间断算例结果的对比分析,提出了一个由离散坐标法、P_1近似和光学厚度极限近似构建的热辐射输运解算方法库,该方法库可与再入飞行器热化学非平衡流场控制方程实现有效耦合模拟。利用该方法库模拟了60 km高空、马赫数35的球头算例,计算表明热辐射对高温流场具有显著的"冷却"作用;辐射传热与对流传热水平相当,流场非耦合热辐射计算的辐射热流将高出耦合计算值27%,此类飞行条件下的数值模拟研究应当考虑热辐射耦合效应。     

考虑转动能的一维/二维Boltzmann-Rykov模型方程数值算法

研究考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程,基于转动自由度对气体分子速度分布函数矩积分,引入约化速度分布函数,应用离散速度坐标法与数值积分技术,将气体运动论模型方程化为在离散速度坐标点处关于三个约化速度分布函数的联立方程组.应用拓展计算流体力学有限差分方法,数值计算考虑转动自由度的双原子气体一维、二维Boltzmann模型方程,得到高、低Knudsen数一维激波管内流动和二维竖直平板绕流问题的流场,分析验证考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程全流域统一算法求解一维/二维气体流动问题的可靠性.结果表明,气体稀薄程度与分子内自由度对流场具有较大影响,且Knudsen数较高的稀薄气体流动呈现严重的非平衡流动特点.     

基于频域辐射传输模型的光学成像研究

本文以超短脉冲激光照射参与性介质的光学成像为研究背景,分别构建了短脉冲激光在参与性介质内的频域辐射传输正问题模型和根据边界探测所得频域信号重建介质内部光学参数的逆问题模型。在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换得到频域辐射传输方程,采用有限体积法求解频域传输方程,模拟超短脉冲激光在二维参与性介质内传输的过程,得到介质边界的出射频域辐射信号。选取共轭梯度法作为反演算法,采用伴随差分模型求解目标函数梯度,重建了二维非均匀参与性介质内不同位置内含物的光学参数分布。结果表明,基于频域辐射传输方程的伴随差分模型能够较为准确地反演多维参与性介质内的光学参数。     

稀薄气体流动非线性耦合本构关系研究进展

临近空间高超声速飞行器流场蕴含着复杂的非线性流动机理与丰富的热化学非平衡流动现象, 基于Newton摩擦定律和Fourier热传导定律的Navier-Stokes(N-S)方程不足以描述高超声速飞行器从连续流到稀薄流的多尺度非平衡现象。非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations, NCCR)作为一种全新的本构方程体系, 在严格满足热力学熵条件的基础上, 巧妙地构建了应力与热流的非线性表达形式。然而, NCCR方程的强非线性耦合特性是求解过程的一大难题。为了克服这一技术瓶颈, 提出了混合迭代算法, 为实现NCCR方程的高效稳定求解提供了坚实的理论基础。在该理论研究的基础上, 考虑到原始NCCR方程对热通量演化方程的简化处理, 降低了方程的计算精度, 提出了改进的NCCR+方程。该方程在强激波压缩区域和膨胀区域表现出比传统NCCR方程更高的计算精度与更强的非平衡流动模拟能力。同时, 为了解决临近空间高超声速空气动力学的多尺度与多物理效应耦合难题, 提出了NCCR与转动非平衡的耦合计算模型, 拓展了NCCR方程在双原子气体中的模拟能力。为了揭示稀薄气体效应与真实气体效应的耦合作用机理, 进一步建立了NCCR与热化学反应的耦合计算方法。大量研究结果表明, 考虑多物理效应的NCCR方程在低Kn下能够恢复到与N-S方程一致的解。随着Kn的增加, 流场的非平衡程度逐渐增强, 其结果与N-S方程差异显著, 而与DSMC方法计算结果和实验数据具有更好的一致性。      

高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件.本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得...     

高速钝锥体非平衡绕流场光辐射特性模拟

本文首先采用CFD-FASTRAN软件对RAM-CII钝锥体试验飞行器热化学非平衡绕流场参数进行了模拟分析,其次采取多温度模型结合逐线法获得非平衡绕流场吸收、发射系数,最终采用视在光线法LOS对RAM-CII飞行器全流场光辐射特性进行了模拟,分析表明:头部激波层紫外（0.2～0.4μm）辐射最强,要比尾迹流区高3个数量级以上,正侧向观测辐射强度比迎头观测时要大接近1个数量级;同一方向不同高度总的光谱辐射亮度差别不大,但正侧向观测的光谱辐射亮度比迎头方向观测略大;绕流场红外（2～5μm）辐射以CO₂分子2.7、4.3μm谱带发射为主,但总体上看红外光谱辐射亮度相较于紫外要小3个数量级。     

新颖的高温流场红外辐射物性参数计算方法

为解决高速飞行器红外辐射特性研究中高温气体辐射参数计算问题,在转动平滑谱带（smeared rotational band, SRB）模型的假设下,首次提出基于贝叶斯估计的跳转马尔科夫链蒙特卡罗（reversible jump Markov chain monte carlo, RJMCMC）方法来计算高温流场中气体组分红外光谱物性参数。仿真计算和实验测量表明,仅需很少的先验知识,且不需要相关跃迁系数,该方法可以很好的估计主要振动跃迁带的位置,所提取的SRB模型参数的变化规律与SRB理论模型结果一致,利用拟合参数计算得到不同温度下谱带积分发射和吸收系数与逐线计算的结果非常近似。     

束缚态特征温度方法及应用

随着高超声速飞行器速度增大,激波层空气等离子体中的原子发射谱线成为辐射加热主要来源,因此研究原子激发非常重要.考虑到处于热非平衡态的空气等离子体,平衡态统计理论不适用.精细物理模型(如碰撞辐射模型)虽然可以处理热非平衡问题且准确度高,但计算量太大,难于工程应用.本文采用束缚态特征温度法,结合FIRE II激波管实验中的非平衡空气等离子体,对原子激发进行了分析.计算得到的原子能级布居与碰撞辐射模型符合,说明简化计算是合理的,计算效率提高了2000倍以上,且能够保证一定的精度.     

氙气中辐射激波的发光特性

本文模拟研究了氙气中X射线加热产生辐射激波的发光特性.辐射激波采用Zinn模型计算,并在模型中输入氙气的辐射不透明度和状态方程参数.研究发现,辐射激波伴随着丰富的光学演化过程,激波对外辐射强度表现出两个明显的亮度峰值和一个亮度极小值,辐射光谱也经常偏离黑体辐射光谱.对氙气不同位置光学特性的分析可知,激波和内部高温区的辐射吸收系数的动态演化导致了辐射激波的发光位置和辐射强度的变化.     

含振动能激发Boltzmann模型方程气体动理论统一算法验证与分析

为模拟研究高温高马赫数下多原子气体内能激发对跨流域非平衡流动的影响,将转动能、振动能分别作为气体分子速度分布函数的自变量,把转动能和振动能处理为连续分布的能量模式,将Boltzmann方程的碰撞项分解成弹性碰撞项和非弹性碰撞项,同时将非弹性碰撞按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛过程和平动-转动-振动能松弛过程,构造了一类考虑振动能激发的Boltzmann模型方程,并证明了其守恒性和H定理.基于内部能量变量对分布函数无穷积分,引入三个约化速度分布函数,得到一组考虑振动能激发的约化速度分布函数控制方程组,使用离散速度坐标法,基于LU-SGS隐式格式和有限体积法求解离散速度分布函数,建立含振动能激发的气体动理论统一算法.通过开展高稀薄流到连续流圆柱绕流问题统一算法与直接模拟蒙特卡罗法模拟结果对比分析,特别是过渡流区平动、转动、振动非平衡效应对绕流流场与物面力热特性的影响机制,证实了所建立的含振动能激发的Boltzmann模型方程及气体动理论统一算法的准确可靠性.     

微重力环境中空气流动与辐射热损失对火焰传播的影响

本文建立了包含辐射热损失的火焰沿热薄燃料表面传播的数学模型。燃毁点的密度作为待求参数出现在模型中。数值计算结果表明,在微重力环境中,火焰传播速度随空气流动速度的变化出现峰值。对比无辐射热损失模型和有辐射热损失模型的计算结果发现,辐射热损失是形成上述微重力燃烧特征的原因。在静止的微重力环境中或弱空气流动速度下,辐射热损失使燃毁点处有大量的残碳生成,但随着空气流动速度的增大,残碳生成量迅速减小。     

Influence of radiative heat flux in nonlinear convection of quartic order in Casson fluid past a vertical permeable plate with variable suction and Hall current

The current study centralizes on unsteady free convection slip flow of Casson fluid past a vertical permeable plate with Hall current, radiative heat flux, and variable suction. The nonlinear convection is subjected to quartic order. Perturbation method is used to convert the non-linear coupled partial differential equation of the momentum and energy to a system of ordinary differential equations. The dimensionless governing equations are solved analytically for velocity and temperature profiles. The graphs are plotted for sundry parameters for variations in the distinct flow fields w.r.t distance from the plate. Variation in the skin friction for the axial and transverse cases are presented in the form of graphs for various parameters. It is observed that with the increase in the order of non-linear convection and value of radiation parameter, the velocity field increases in Casson fluid. The increase in heat absorption parameter and Prandtl number decreases the temperature profile and increase in radiative heat flux parameter increases the temperature profile.     

Observation of laser driven supercritical radiative shock precursors

We present a supercritical radiative shock experiment performed with the LULI nanosecond laser facility. Using targets filled with xenon gas at low pressure, the propagation of a strong shock with a radiative precursor is evidenced. The main measured shock quantities (electronic density and propagation velocity) are shown to be in good agreement with theory and numerical simulations.     

管内高温介质层流入口段中的热辐射作用

数值研究了高温介质密度随温度变化时,管内层流入口段耦合换热中的热辐射作用。采用离散坐标法、控制容积法耦合求解辐射传递方程、能量方程及N-S方程。考察了中等大小光学厚度下,热辐射作用对介质内速度分布、温度分布以及换热的影响。结果表明,即使在不大的光学厚度下,热辐射作用对管内高温介质层流入口段耦合换热的速度场与换热强度都有明显影响。     

MHD oscillatory flow on free convection–radiation through a porous medium with constant suction velocity

Unsteady two-dimensional hydromagnetic free convection and thermal radiation flow of an electrically conducting viscous-incompressible fluid, through a highly porous medium bounded by a vertical plane surface of constant temperature are presented. The Rosseland diffusion approximation is used to describe the radiative heat flux in the energy equation. Expressions for the velocity and temperature are obtained. The free-stream velocity of the fluid vibrates about a mean constant value and the surface absorbs the fluid with constant velocity. Effects of varying R (radiative parameter), G (Grashof number), k′ (permeability of the porous medium) and M (magnetic parameter upon the velocity field and the effect of varying R and Pr (Prandtl number) on the temperature are discussed.     

Effect of staggered array structure on the flow field of micro gas chromatographic column

A new design of staggered array semi-packed micro gas chromatographic column was presented based on the micro electromechanical system(MEMS)technology.It was a sensor for gas sample analysis.The internal velocity fields of ten types of semi-packed micro gas chromatographic column were studied.The effects of array spacing and dislocation spacing on the flow field distribution were investigated.The results show that on the basis of ensuring the formation of virtual wall,with the increase of array spacing,the maximum velocity difference between the flow channels in the vertical direction decreases gradually,but the velocity difference in the flow channels a and b increases.When the inlet velocity was set to be 0.18 m/s,the maximum velocity difference in the channel of the staggered semi-packed micro gas chromatography column 3(CSAC3)was 0.05610 m/s.The maximum velocity difference in the channel a was 0.09160 m/s.The maximum velocity difference in the channel b was 0.02401 m/s.CSAC3 had a more uniform velocity field distribution,which can effectively suppress the laminar flow effect during chromatographic separation,and had a smaller pressure distribution,which puts forward lower requirements for carrier gas system.The staggered array semi-packed micro gas chromatography column proposed in this paper can effectively improve the velocity field distribution and pressure distribution in the channel,and provide a theoretical basis for the design of the new micro gas chromatography column structure.     

悬浮RDX炸药粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对悬浮RDX炸药粉尘爆轰波进行了数值模拟。RDX炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,颗粒表面发生熔化。参考液滴在高速气流作用下剥离的效应,假设炸药熔化部分在高速气流的作用下发生剥离,破碎成极小的颗粒,瞬时发生分解反应,释放出能量支持爆轰波传播。数值模拟了在不同粒径和浓度的悬浮RDX炸药粉尘中爆轰波的发展与传播过程,得到了爆轰波流场中气-固两相的物理量分布,并确定了爆轰波参数。在较低的RDX粉尘浓度条件下,爆轰波阵面压力的峰值曲线出现振荡。当RDX粉尘浓度在80~150 g/m3时,数值模拟得到的爆轰波阵面压力峰值曲线的振荡是规则的;当RDX粉尘浓度为70 g/m3时,爆轰波阵面压力峰值曲线出现不规则振荡。     

气体-表面相互作用的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了气体分子Ar在光滑和粗糙Pt表面上的散射规律.提出了一种速度抽样方法,计算了不同温度条件下气体分子对光滑和粗糙表面的切向动量适应系数和吸附概率.结果显示：光滑表面条件下,气体分子的切向动量系数和吸附概率都随着温度的升高而降低;粗糙度对气体分子切向动量与表面的适应具有极大的促进作用,当粗糙度足够大时,切向动量适应系数的大小趋近于1.0,对温度的敏感性也逐渐降低.采用粒子束方法对气体分子在光滑和粗糙表面上的散射规律进行了定量分析.总结了散射过程中气体分子的典型轨迹和动量变化规律,将气体分子在光滑表面的散射分为两种类型：单次碰撞后散射和多次碰撞后散射.单次碰撞后散射的气体分子平均切向动量有所减小,而经过多次碰撞后散射的气体分子则倾向于保持原有的平均切向动量.对于粗糙表面,粗糙度的存在使气体分子与表面间的动量和能量适应更加充分,导致气体分子在较粗糙表面上散射后的平均切向动量大幅减小并接近于0,且气体分子在表面上经历的碰撞次数越多,其散射后的能量损失越严重.