探空温度传感器的计算流体动力学分析与实验研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高, 希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级. 为了实现此目标, 运用计算流体动力学方法对珠状热敏电阻从海平面上升至20 km高空的整个过程进行数值仿真分析. 并在此基础上, 针对影响测温精度的太阳辐射强度和传感器倾斜角度两个因素进行分析. 仿真结果表明, 太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子. 当传感器倾斜角度为90°时, 珠状热敏电阻的辐射误差最小. 通过麦夸特法和通用全局优化法对仿真数据进行拟合, 获得不同海拔高度和太阳辐射强度下的辐射误差修正方程; 为验证方程的准确性, 设计和搭建太阳辐射误差模拟系统. 实验结果表明, 辐射误差实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.017 K, 均方根值RMS误差为0.023 K, 验证了计算流体动力学方法、麦夸特法和通用全局优化法获得辐射误差数据的准确性.     

辐射烧蚀CH薄膜非平衡理论计算与实验比对分析

用一维非平衡辐射输运程序和实验提供的黑腔辐射流,对CH薄膜靶的辐射烧蚀进行了数值模拟计算。计算结果表明,非平衡的黑腔辐射场对CH薄膜靶辐射烧蚀的影响十分明显。出靶外界面的辐射流总强度、等效辐射温度随时间变化、400eV光子出界面延迟时间随靶厚度变化规律等方面的数值模拟结果与实验结果基本符合。     

用于气象观测的阵列式温度传感器流体动力学分析与实验研究

传统百叶箱和防辐射罩内部的温度传感器受到太阳辐射会导致其温度高于大气真实温度, 升温量可达0.8 K甚至更高. 为提高大气温度观测精度, 本文设计了一种阵列式温度传感器. 利用计算流体动力学方法分析计算该传感器在不同环境条件下的辐射升温量, 采用遗传算法对计算结果进行拟合, 获得辐射升温量修正方程. 为验证阵列式温度传感器的实际性能, 研制了强制通风温度测量平台. 将阵列式温度传感器、配有传统防辐射罩的温度传感器和强制通风温度测量平台置于相同环境下, 进行大气温度观测比对实验. 配有传统防辐射罩的温度传感器辐射升温量平均值为0.409 K; 与前者相比, 阵列式温度传感器的辐射升温量仅为0.027 K. 这种阵列式温度传感器可将辐射升温引起的误差降低约93%. 辐射升温量实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.0174 K, 均方根误差为0.0215 K, 该结果验证了计算流体动力学方法与遗传算法的准确性. 如果配合计算流体动力学方法与遗传算法, 温度测量精度有进一步提高的潜力.     

中国区临近空间太阳辐射环境研究

临近空间(20~50km)航空活动是全世界航空大国竞相研究的热点。太阳辐射环境研究是开展该高度层航空活动的必要前提,然而临近空间辐射观测资料空白对其开发利用造成了障碍。臭氧是影响高空辐射环境的关键因子,基于欧洲中尺度预报中心再分析资料对中国区临近空间臭氧的空间分布、季节变化特征进行了分析,发现其时空分布及演变具备区域性特点,同时根据平流层大气数据及地表特征等将中国临近空间划分为5个区域,确定不同区域关键参数值,利用SBDART辐射传输模型对临近空间全波段太阳辐射及紫外辐射分别进行模拟。模拟结果显示受纬度、臭氧总量、垂直分布等影响,辐射值变化规律较为复杂。全波段太阳辐射年均和逐月值随纬度降低而增大,年较差则相反;大气的吸收作用与纬度、海陆差异有关,表现出不同的强度和季节变化特征;在紫外波段,南海上空辐射最强,年较差小,月较差很小且夏强冬弱,其他区域辐射值夏强冬弱,月较差呈双峰特征,春秋强,冬夏弱;大气的吸收作用受多因子影响,除南海外,各区域夏季辐射垂向差异更大;大气吸收引起的月较差垂向变化均表现为6、7月高低空月振幅一致,其它月份辐射值在高层月较差更大。     

辐射烧蚀CH薄膜非平衡理论计算与实验比对分析

 用一维非平衡辐射输运程序和实验提供的黑腔辐射流，对CH薄膜靶的辐射烧蚀进行了数值模拟计算。计算结果表明，非平衡的黑腔辐射场对CH薄膜靶辐射烧蚀的影响十分明显。出靶外界面的辐射流总强度、等效辐射温度随时间变化、400eV光子出界面延迟时间随靶厚度变化规律等方面的数值模拟结果与实验结果基本符合。     

自由电子激光中稳定波长反馈引起的类极限环振荡

研究了自由电子激光实验观察到的由稳定波长反馈引起的新的振荡现象.数值模拟结果证实了实验中观测到的激光功率和电子束能量的周期性调制振荡,调制频率和调制深度与实验值符合较好.分析表明这种类极限环振荡主要起因于超辐射引起的频率蠕变.     

光弹材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算分析

基于材料的热力学关系和能量守恒定律,给出弹性体形变过程中红外辐射温度改变量和辐出度变化的物理计算方程.并结合有限元方法进行物理建模,对光弹材料三点弯载荷实验过程中的红外辐射出射度的分布进行数值计算和模拟.结果与实验结果吻合较好,表明模型及其相关理论是合理的,可以用来量化揭示实验中的红外辐射特征.从而得到一种能够利用计算机量化分析固体材料载荷过程中红外辐射特征机理的计算方法.     

基于星地测量和辐射传输模式的特定地域大气中分辨力光谱辐射特征

利用中分辨力成像光谱仪数据,采用星地测量并结合中分辨力辐射传输模式,以巢湖流域及周边为实验区,计算得到该地区夏季实际大气层结下沿观测路径整层大气透过率、大气辐射、大气热辐射和大气散射的太阳辐射在中分辨力光谱上的特征,以及整层大气廓线。研究结果表明：受能见度影响,实验区两地点水体像元处的整层大气透过率数值略高于植被像元处;两地卫星入瞳处的程辐射和卫星探测器探测到的程辐射谱分布相似;在可见至近红外波段,大气程辐射和散射的太阳辐射谱分布相似性较强,且随着波长增加而数值均逐渐减小,而大气热辐射数值很小;两个地点在短波范围内路径热辐射很低且接近,随着波长的增加,热辐射明显增强,波长越长,两地点热辐射差别越明显;当日天气晴好,气溶胶含量较低,而且两地距离很近,因此两地的大气廓线数据基本相似。     

基于星地测量和辐射传输模式的特定地域大气中分辨力光谱辐射特征

 利用中分辨力成像光谱仪数据,采用星地测量并结合中分辨力辐射传输模式,以巢湖流域及周边为实验区,计算得到该地区夏季实际大气层结下沿观测路径整层大气透过率、大气辐射、大气热辐射和大气散射的太阳辐射在中分辨力光谱上的特征,以及整层大气廓线。研究结果表明：受能见度影响,实验区两地点水体像元处的整层大气透过率数值略高于植被像元处;两地卫星入瞳处的程辐射和卫星探测器探测到的程辐射谱分布相似;在可见至近红外波段,大气程辐射和散射的太阳辐射谱分布相似性较强,且随着波长增加而数值均逐渐减小,而大气热辐射数值很小;两个地点在短波范围内路径热辐射很低且接近,随着波长的增加,热辐射明显增强,波长越长,两地点热辐射差别越明显;当日天气晴好,气溶胶含量较低,而且两地距离很近,因此两地的大气廓线数据基本相似。     

Co1-xNixSb3-ySey热电输运中晶界和点缺陷的耦合散射效应

结合机械合金化与放电等离子烧结工艺制备了Ni和Se共掺的细晶方钴矿化合物Co1-x NixSb3-ySey,研究了晶界和点缺陷的耦合散射效应对CoSb3热电输运特性的影响.通过Ni掺杂优化载流子浓度提高功率因子.在x=0.1时,功率因子达到最大值1750μWm-1K-2(450℃),是没有掺Ni试样的两倍.晶界和点缺陷的耦合散射机理使晶格热导率急剧下降,其中Co0.9Ni0.1Sb2.85Se0.15的室温晶格热导率降低至1.67Wm-1K-1,接近目前单填充效应所能达到的最低值1.6Wm-1K-1,其热电优值ZT在450℃时达到最大值0.53.将Callaway-Von Baeyer点缺陷散射模型嵌入到Nan-Birringer有效介质理论模型,对晶界散射和点缺陷散射的耦合效应对热导率的影响进行了定量分析,模型计算与实验结果符合.理论模型计算表明,当晶粒尺寸下降到50nm同时掺杂引入点缺陷散射后,Co0.9Ni0.1Sb2.85Se0.15的晶格热导率下降到0.8Wm-1K-1.     

空间目标的可见光散射与红外辐射

利用Lowtran7大气传输模型计算0.4～0.8μm可见光波段的太阳辐射、大气自身的热辐射以及天地背景辐射.依据粗糙面光散射理论与双向反射分布函数计算空中目标表面对太阳辐射和云层对阳光反射的散射.利用传热学和背景辐射理论,根据能量守恒定律建立空间目标表面温度的热平衡方程.以气球为例,计算不同表面涂层材料的气球,在不同地理位置、不同高度和不同时间条件下,其温度及辐射功率的变化.分析空间目标红外辐射特性的一般规律和特征.     

冲击波在铝靶中传播的数值模拟研究

利用一维辐射流体力学数值模拟程序对激光驱动的冲击波在平面铝靶中传播的实验结果进行了模拟研究.分析了空间单元层的厚度对模拟结果的影响,给出了最佳单元层厚度.通过将数值模拟与实验结果相比较给出了实验中两种激光光强的实际的吸收系数.结果显示,波长为1.053μm,强度分别为0.81×10¹⁴和1.65×10¹⁴W/cm²的激光驱动的冲击波在铝靶中传播速度分别为16.52,18.56μm/ns,冲击波的峰值压力分别为0.386和0.537TPa,这些模拟结果与实验结果是一致的 关键词： 冲击波 辐射流体力学 激光等离子体     

强化辐射换热涂层的性能研究

本文以实验研究与数值模拟相结合的方式,对喷涂了不同厚度的两种不同涂料的一系列CPU散热片进行了自然对流条件下的辐射强化换热研究,以测试这两种涂料的辐射强化换热性能,并找出其强化辐射换热的相关规律.实验与数值模拟的结果表明,这两种涂料的确能够强化辐射换热;散热片散热热阻在有适当厚度涂层时比无涂层时减少了10%左右;在相同热载荷及边界温度条件下,散热片温度在有涂层时比无涂层时降低多达4℃;对于同种涂料,涂层厚度越薄强化散热能力越强;对于相同厚度的涂层,涂料导热率越大其辐射散热能力越强.     

喷气Z箍缩内爆动力学过程的数值模拟研究

在分析了喷气Z箍缩内爆等离子体物理过程的基础上，作了必要的假定和简化，给出了物理模型和相应的数学方程组.研制了一维三温辐射磁流体动力学的数值模拟程序，对氖喷气Z箍缩内爆产生高温高密度等离子体过程进行了总体数值模拟，得到了等离子体各参量在内爆过程中的时空分布，再现了该内爆动力学整体过程，并与GAMBLE-Ⅱ装置的实验结果进行了比较.计算结果表明，在对热传导系数和等离子体电阻率作适当调整后，得到的计算结果是自洽的，其中内爆到心时刻、x射线辐射脉冲的脉宽和总能量等宏观量与实验结果比较接近.同时对喷气Z箍缩内爆过 关键词： 喷气Z箍缩 x射线辐射 辐射磁流体动力学     

HL-2A托卡马克中性束辐射光谱的数值模拟

采用数值模拟的方法研究中性束辐射光谱(BES)对开展与中性束相关的光谱诊断与实验有重要的指导意义.本文在HL-2A托卡马克装置上利用ADAS数据库（Atomic Data and Analysis Structure,1998）计算有效束辐射系数和有效束衰减系数,分析了束辐射光谱强度与等离子体运行参数和中性束参数的关系,并在不同的中性束注入能量、等离子体密度分布和等离子体温度分布的情况下,获得了束辐射光谱强度的空间分布.在n_e=2×10¹³ cm< 关键词： 中性束 束辐射光谱 束衰减     

部分耗尽SOI MOSFET总剂量效应与偏置状态的关系

实验表明SOI MOSFET掩埋氧化层中的总剂量辐射效应与辐射过程中的偏置状态有关. 对诱发背沟道泄漏电流的陷阱电荷进行了研究. 建立一个数值模型来模拟不同偏置下陷进电荷的建立, 它包括辐射产生的载流子复合和俘获的过程. 模拟结果与实验结果相符, 解释了总剂量辐射效应受偏置状态影响的机理.     

探空湿度测量太阳辐射误差修正流体动力学研究

针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了相对湿度测量的准确度,提出一种新颖的相对湿度误差修正方法—–基于流体动力学的数值分析法.在流体-固体耦合传热数值模拟分析中考虑探空湿度传感器的外部热环境情况,施加对流-太阳辐射耦合热边界条件,建立了地面到32 km高空不同气压和温度条件下探空湿度传感器的温度误差分析模型.结合Goff-Gratch饱和水汽压逼近公式,进而提出了相应的相对湿度误差流体动力学数值分析模型,并且着重研究了太阳辐射方向、传感器尺寸、反射率和衬底材料热导率等物理参数对相对湿度误差的影响.分析数值仿真结果表明:随着海拨的升高,其与太阳辐射加热引起的相对湿度误差之间存在非线性的单调递增关系;太阳辐射方向对于湿度测量精度的影响显著,当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大、传感器顶部时次之、侧面时误差最小;虽然通过减小探空湿度传感器的尺寸、降低衬底材料的热导率以及提高反射率均可以一定程度地降低太阳辐射加热引起的相对湿度误差,但是在低气压高空条件下,太阳辐射加热误差对于湿度准确性的影响仍然十分明显,需加以修正.与实验结果对比表明,基于流体动力学模拟仿真的相对湿度误差数值分析法为辐射误差修正提供了一种新的途径.     

一种导弹高超声速绕流红外辐射特性数值计算方法

主要研究导弹高超声速飞行时弹头流场对自身红外导引头的辐射照度影响问题.建立导弹弹头及气动流场模型,划分计算流场网格、红外导引头镜面网格和辐射场计算网格.从辐射照度和亮度的理论公式开始,推导出适用于辐射网格的气体辐射积分式,并将流场网格数值插值到辐射场网格,求出各节点辐射值得到由导弹飞行状态确定的导弹头部流场气体辐射,积分到红外导引头的光学系统镜面处,求出对其红外导引头的光学系统镜面处的辐射照度.得出流场气体对导引头主镜面的辐射照度值的分布规律:主镜面中心最大,围绕主镜面中心成环形分布,沿着半径方向逐渐减小,随着Mach数增大影响增加.      

基于MCPT解法器库的专用辐射探测模拟软件研发与应用北大核心CSCD

甲状腺内^(131)I放射性活度与辐射探测结果的比例关系与甲状腺几何尺寸、探测距离等因素相关,是估算甲状腺内^(131)I含量与其可能造成的辐照损伤的关键参数。基于MCPT辐射输运数值模拟算法器库开发了用于开展NaI探测器伽马辐射测量模拟的应用程序,进而建立了多组具有不同容积的甲状腺型容器和不同探测距离的物理模型,最终通过蒙特卡罗数值计算得到了不同测量状态下探测器的探测效率。在甲状腺型容器与探测器距离较远时,数值模拟给出的结果与理论计算结果一致,证明此应用程序可用于定量分析NaI的探测效率。数值模拟结果表明,小距离模型的结果受甲状腺样容器的大小和距离的显著影响,模拟给出的探测效率表为开展深入细致的实验研究奠定了基础。     

数值模拟辐射驱动2维内爆压缩过程

采用2维三温非平衡辐射流体力学程序LARED-H数值模拟辐射驱动内爆过程。针对2维三温能量方程九点差分格式离散后的线性方程组,采用了高效的Krysolv子空间迭代解法,改进了代数解法器。将1维间接驱动内爆总体程序CFJ与LARED-H程序的计算结果进行比对,验证了LARED-H程序数值模拟1维内爆问题的正确性。并数值模拟了不同腔长辐射温度源驱动下的2维靶球运动,数值结果显示：随着腔长的增加,高压缩内爆燃料区分别被压缩成香肠形、球形和铁饼形,数值模拟结果与神光Ⅱ的实验结果定性上相同。