光学窗口外形对气动光学效应的影响

流场求解采用3维雷诺平均N-S方程,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解,采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟。采用几何光学结合物理光学方法分析平均流动和湍流对光场的影响。计算结果表明:由于窗口外形曲面的曲率不同,两种窗口外部流场存在较大区别,气流速度、密度的分布情况各不相同。曲率较大的窗口外形对气流的压缩程度较大,导致气流绕过窗口顶端中心区域时流速快,密度梯度大,因而窗口空气阻力较大,光束在该窗口流场中传输受气流影响的影响也较大。     

气流加热对气动光学效应的影响

以光束穿过三维高速流场为物理模型,研究了由于辐射加热气流对流场的干扰及激光束穿过流场后光束远场的分布。应用二维哈特曼波前测量系统,对高功率光束在风洞高速气流传输中的气动光学效应进行了测量。结果表明,气流未电离情况下,激光与高速气流相互作用对气流的温度、密度等参数影响很小,通过该区域流场的光束波前基本没有变化。     

气流加热对气动光学效应的影响

以光束穿过三维高速流场为物理模型,研究了由于辐射加热气流对流场的干扰及激光束穿过流场后光束远场的分布。应用二维哈特曼波前测量系统,对高功率光束在风洞高速气流传输中的气动光学效应进行了测量。结果表明,气流未电离情况下,激光与高速气流相互作用对气流的温度、密度等参数影响很小,通过该区域流场的光束波前基本没有变化。     

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

高速光学头罩气动光学效应研究进展

伴随着飞行器飞行速度的不断增加,高速光学头罩技术具有极大的应用潜力和前景.只是,高速光学头罩在大气层中飞行,受到气动光学效应的影响,成像目标会出现畸变、抖动、模糊和能量衰减,影响成像精度.通过对数十年来高速光学头罩流体力学和气动光学效应的总结和梳理,初步构建了高速光学头罩气动光学效应相似准则模型.归纳了气动光学效应抑制的主要技术路线以及目前已经开展的一些工作.最后总结和讨论了高速光学头罩气动光学效应关键技术难点及未来的发展趋势,可为今后的气动光学效应研究提供一些参考和帮助.      

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。     

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。     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

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.     

气动热环境下高速飞行器光学头罩特性分析

建立高速飞行器红外光学头罩在气动热环境下有限元分析模型,分析头罩在气动热环境下的物理特性和光学特性,对头罩在气动热环境下的温度场、应力场、应变场和位移场进行数值计算。计算结果表明头罩在气动热环境下温度场分布不均匀,因此头罩会产生热应力而发生形变。利用有限元分析结果,根据热光效应和弹光效应理论,对气动热环境下红外光学头罩的折射率场进行数值计算。以头罩外表面中心点折射率为例,在头罩工作时间内,通过计算得到头罩15s后由热光效应造成的折射率改变为0.011,而由弹光效应造成的x方向折射率改变为0.000107,即弹光效应造成的折射率改变量约为热光效应造成折射率改变量的0.97%,由此可知,在气动热环境下热光效应对头罩折射率的影响比较大,而弹光效应对头罩折射率的影响比较小。     

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。     

Stress field around a high speed screw dislocation

Using a simple lattice model, the stress field around a high speed screw dislocation is calculated. On the basis of the results, a possible pattern of “breakdown” which was discovered by Earmme and Weiner in a one-dimensional dislocation model is discussed and a new model of twinning is proposed. Mid-ribs in b.c.c, twins can be explained on the basis of this model.     

低速热射流涡及其气动光学特性的测量

 用37单元哈特曼 夏克波前传感器以419Hz的帧频对加热的扁喷管气流的气动光学特性进行了测量，采用模式法进行波前重构，从而得到观测孔径内该低速热射流所造成的光程差分布,进而计算出其Strehl比，时间序列结果反映了它们的动态过程。实验给出了4.3~8 m/s及44~85℃的中心平均空气流速和温度的几种不同气流参数下的光程差分布，用相关的方法得出剪切层中相干结构（涡）的流动速度，结果表明，剪切层中相干结构引起的光程差分布及Strehl比随气流参数而变化；当高于65℃时，温度的影响不明显。     

Numerical analysis of dipole sound source around high speed trains

As the maximum speed of high speed trains increases, the effect of aeroacoustic noise on the sound level on the ground becomes increasingly important. In this paper, the distribution of dipole sound sources at the bogie section of high speed trains is predicted numerically. The three-dimensional unsteady flow around a train is solved by the large eddy simulation technique. The time history of vortices shows that unstable shear layer separation at the leading edge of the bogie section sheds vortices periodically. These vortices travel downstream while growing to finally impinge upon the trailing edge of the section. The wavelength of sound produced by these vortices is large compared to the representative length of the bogie section, so that the source region can be regarded as acoustically compact. Thus a compact Green's function adapted to the shape can be used to determine the sound. By coupling the instantaneous flow properties with the compact Green's function, the distribution of dipole sources is obtained. The results reveal a strong dipole source at the trailing edge of the bogie section where the shape changes greatly and the variation of flow with time is also great. On the other hand, the bottom of the bogie section where the shape does not change, or the leading edge and boundary layer where the variation of flow with time is small, cannot generate a strong dipole source.     

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.     

Visualizations of the flow around a swimmer in turbulent regime

Graphical abstract  

     

FBG反射谱展宽效应的高速解调算法研究

FBG传感器在非均匀应力场下因光栅啁啾而产生反射谱展宽,从而影响了低采样率下高速解调的精度和稳定性。针对这个问题,分析了造成异形反射谱的原因,阐述了在反射谱展宽效应下FBG的高速解调原理。通过实验,对比了高斯拟合、B样条插值以及三次样条插值三种算法的寻峰效果;根据误差理论,结合实验结果,给出了三种寻峰算法在此种情况下的均方差(MSE)以及最大峰值误差(MPE)。结果表明,当FBG传感器反射谱展宽时,三次样条插值算法有更好的稳定性。     

Switching speed effect of phase shift keying in SLED for generating high power microwaves

SLAC energy doubler(SLED) type radio-frequency pulse compressors are widely used in large-scale particle accelerators for converting long-duration moderate-power input pulses into short-duration high-power output pulses. Phase shift keying(PSK) is one of the key components in SLED pulse compression systems. Performance of the PSK will influence the output characteristics of the SLED, such as the rise-time of the output pulse, maximal peak power gain, and energy efficiency. In this paper, a high power microwave source based on power combining and pulse compression of conventional klystrons is introduced. The effects of nonideal PSK with slow switching speed and PSK without power output during the switching process are investigated, and the experimental results with nonideal PSK agree well with the analytical results.     

Orbital ac spin-Hall effect in the hopping regime

The Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions are both shown to yield the low temperature spin-Hall effect for strongly localized electrons coupled to phonons. A frequency-dependent electric field E(omega) generates a spin-polarization current, normal to E, due to interference of hopping paths. At zero temperature the corresponding spin-Hall conductivity is real and is proportional to omega2. At nonzero temperatures the coupling to the phonons yields an imaginary term proportional to omega. The interference also yields persistent spin currents at thermal equilibrium, at E=0. The contributions from the Dresselhaus and Rashba interactions to the interference oppose each other.