短脉冲激光与介质相互作用的扩散模型

推导了扩散近似方程,通过半无限大均匀介质计算,用扩散理论分析解验证了数值方法的有效性.模拟了光在非均匀介质内的传输过程,给出了介质内光通量随时间变化的空间分布.结果表明,该基于扩散模型的数值方法能够模拟短脉冲光在强散射介质中的传播过程以及漫散射光的时间变化特性,并且借助于光通量空间分布能够准确模拟非均匀介质内内含物的位置.     

X光辐射在泡沫介质中超声速传输研究进展

X光辐射输运过程通过光子的发射与吸收使能量在介质内进行再分配,而光子的辐射和吸收过程对从介质内出射的能谱产生十分显著的影响。辐射输运由积分-微分方程来描述,得到它的解极其困难,这是因为此方程依赖于局域和非局域的条件。当外加的非局域的X光辐射场作用在介质上一个强的X光辐射能流时,介质的局域温度和密度将影响X光的吸收和发射。本文将对辐射输运的方程和基本理论进行阐述,并对辐射超声速传输的实验结果进行评述。首先,介绍辐射在介质中的传输的理论基础以及简化分析模型;其次,对辐射在介质中扩散超声速输运进行解析分析,我们首次导出辐射的超声速传输条件下的辐射能流与物质能流之比与马赫数和光学厚度的定量关系;最后,介绍国外的主要实验结果,同时也给出我们近期的研究结果。我们的实验结果表明,不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同,并且实验测出光学厚度。     

X光辐射在泡沫介质中超声速传输研究进展

X光辐射输运过程通过光子的发射与吸收使能量在介质内进行再分配,而光子的辐射和吸收过程对从介质内出射的能谱产生十分显著的影响。辐射输运由积分-微分方程来描述,得到它的解极其困难,这是因为此方程依赖于局域和非局域的条件。当外加的非局域的X光辐射场作用在介质上一个强的X光辐射能流时,介质的局域温度和密度将影响X光的吸收和发射。本文将对辐射输运的方程和基本理论进行阐述,并对辐射超声速传输的实验结果进行评述。首先,介绍辐射在介质中的传输的理论基础以及简化分析模型;其次,对辐射在介质中扩散超声速输运进行解析分析,我们首次导出辐射的超声速传输条件下的辐射能流与物质能流之比与马赫数和光学厚度的定量关系;最后,介绍国外的主要实验结果,同时也给出我们近期的研究结果。我们的实验结果表明,不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同,并且实验测出光学厚度。     

湍流大气中激光传输光强起伏特征研究

通过实验观测了湍流大气中光束准直传输时光束横截面上不同面积内的光强起伏特征。采用相对光强起伏方差与孔径平滑因子描述不同面积内的光强起伏特征并比较了不同湍流条件和不同面积内相对光强起伏方差的概率分布密度。实验结果表明,在该实验条件下明显出现孔径平滑效应时对应接收面积呈现湍流越强接收面积越小的规律;不同接收面积内相对光强起伏方差概率分布密度可以用对数高斯分布近似,不同接收面积和湍流强度下近似程度不同;采用偏斜度和陡峭度来描述接收面积不同和湍流强度不同时概率分布密度与对数高斯分布的偏差并比较了拟合曲线特征的变化。同时初步比较了连续光与脉冲光相对光强起伏方差概率分布的异同。     

模拟的对流边界层光学湍流的特征尺度分析

边界层作为地面与自由大气的过渡带对人类活动影响很大。边界层湍流结构尤其是夹卷层的湍流特征,是边界层研究的一个重要方面,这对于加深对边界层的认识以及研究边界层参数化具有十分重要的意义。由于边界层上部位置较高,难以进行精细结构观测。在室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展。将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据。利用改进协方差法对光斑图像进行功率谱分析,找出功率谱密度最大值所对应的频率即峰值频率,峰值频率对应的波长为涡的特征尺度。研究结果表明,在混合层,峰值波长较小,说明此处混合比较均匀,小尺度结构占主导地位。而夹卷层的峰值波长较大。夹卷层的平均峰值波长与对流Richardson数存在一定的关系,这种关系受下垫面类型以及对流状况的双重影响。     

模拟短脉冲激光在介质中传输的扩散综合有限元法

建立有限元模型,通过求解瞬态辐射传输方程模拟短脉冲激光在半透明介质中的传输.针对散射占优性半透明介质内辐射传输求解效率较差的问题,采用扩散综合加速迭代算法,提高计算效率,缩短计算时间.结果表明:采用精确解析式描述脉冲激光散射源项的求解策略可以获得准确的计算结果,精确地模拟快速变化的波前,不会产生数值扩散和数值振荡.此外,扩散综合迭代算法的计算时间仅为源项迭代的50%~60%.     

不同光线入射角度下超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获取超声速(Ma=3.0)湍流边界层的密度分布,采用光线追迹方法计算其对应的光程差分布,并结合边界层气动光学相似律验证实验结果的可靠性.着重研究了光线入射角度对超声速湍流边界层气动光学效应的影响,并对其内在机理进行了分析.研究表明,气动光学效应对光线入射角度的依赖性源于光线在流场中的传输路径,传输路径的不同导致了光线在流场中的传输距离以及对应密度脉动互相关结果的差异.光线倾斜入射导致其在流场中传输距离增长,进而气动光学效应出现恶化.光线入射方向与壁面垂直方向之间的夹角越大,气动光学效应越显著,而且不同时刻的差异性增加,气动光学效应校正的难度增加.超声速湍流边界层中大量具有特定方向的涡结构导致了湍流边界层气动光学效应的各向异性.当光线倾斜向下游入射时,光线传播方向与流场中的涡结构具有较好的一致性,体现为此方向上密度脉动互相关系数较大,故气动光学效应比较严重.而当光线倾斜向上游入射时,相关系数较小,故气动光学效应较弱.     

超短脉冲在光学介质中传输的B积分特性

从非线性薛定谔方程出发,利用分步傅里叶算法对其进行求解,数值模拟了在超短脉冲激光系统中几种光学介质中的B积分传输规律,并对其特性进行了简要分析。数值计算结果表明,初始脉冲的输入光强与光学介质的增益系数的增大会使B积分值增加。脉冲形状对B积分值有一定影响,与飞秒高斯脉冲比较,当输入为ps级的啁啾脉冲时,B积分较小。针对所选计算模型,适当的群速色散与高阶色散可以减小B积分值。这对超短脉冲放大系统的设计有参考意义。     

激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量

理论研究了激光光束经过湍流大气后闪烁系数的变化规律,以ARM7的嵌入式系统构建数据采集模块,在采集激光光强因为大气湍流影响而变化的数据的基础上对存储的数据使用闪烁系数数学模型进行运算,运算结果通过网络传输,由PC端的界面显示变化曲线,从而了构造一个可以感测大气湍流的远程探测系统。用转动的相位板模拟湍流大气,利用所开发的测试系统测量激光光束通过湍流大气后的闪烁系数。实验结果显示高斯光束在湍流大气中的闪烁系数随传输距离的增加而增大,与理论模拟结果基本相符。由此可见该系统工作可靠稳定,可实时测量激光光束经过湍流大气的闪烁系数。     

激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量

 理论研究了激光光束经过湍流大气后闪烁系数的变化规律,以ARM7的嵌入式系统构建数据采集模块,在采集激光光强因为大气湍流影响而变化的数据的基础上对存储的数据使用闪烁系数数学模型进行运算,运算结果通过网络传输,由PC端的界面显示变化曲线,从而了构造一个可以感测大气湍流的远程探测系统。用转动的相位板模拟湍流大气,利用所开发的测试系统测量激光光束通过湍流大气后的闪烁系数。实验结果显示高斯光束在湍流大气中的闪烁系数随传输距离的增加而增大,与理论模拟结果基本相符。由此可见该系统工作可靠稳定,可实时测量激光光束经过湍流大气的闪烁系数。     

光在超声速湍流边界层中的传输

采用数值方法分析超声速边界层流场对光传输的影响,并根据光波的变化对流场特征进行分析.用法福尔质量加权平均N-S方程及两方程湍流模型求解三维超声速平板湍流边界层流动;光在流场中的传输采用傍轴近似光波传输方程描述,用相屏法和快速傅里叶变换(FFT)技术求解.利用穿越流场的光波光强和相位的改变,直观分析光波畸变和流场的部分特征信息.     

压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Reθ 范围约为2600～4600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各...     

非柯尔莫哥洛夫湍流光束漂移的理论研究

一直以来, 大气湍流对空间光通信影响的研究都是在柯尔莫哥洛夫(Kolmogolov)湍流理论的框架内进行, 该模型已经被人们广泛接受和使用。然而, 近年来国内外众多非柯尔莫哥洛夫(Non-Kolmogolov)湍流的实验报道则表明Kolmogolov湍流理论有时不能完全正确地描述大气湍流的统计规律, 尤其在对流顶层和平流层。为了全面了解大气湍流对空间光通信的影响, 研究Non-Kolmogolov湍流对光波传输的影响成为了首先要面对的问题。基于Non-Kolmogolov湍流功率谱密度, 运用几何光学近似方法推导了弱起伏条件下准直光束和聚焦光束的光束漂移方差, 并给出了简洁的解析表达式; 然后, 利用这一表达式进行了仿真分析。     

空间激光通信中湍流信道光束传输仿真

对大气光信道特性的研究是空间激光通信研究的重要组成部分。首先以大气湍流理论为基础,阐述了激光在大气中传输时受到的大气湍流的影响和分析方法。接着重点对近年来应用日益广泛的空间激光通信的数值仿真方法进行了综述。不仅介绍了基本传输方程及其求解方法,还对采用数值方法模拟光波在随机介质中传播的若干关键技术进行了分析。最后结合现有的研究成果,说明了数值方法在空间激光通信中的应用。     

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

Supersonic Turbulent Boundary Layer： DNS and RANS

We assess the performance of a few turbulence models for Reynolds averaged Navier-Stokes （RANS） simulation of supersonic boundary layers, compared to the direct numerical simulations （DNS） of supersonic flat-plate turbulent boundary layers, carried out by Gao et al. [Chin. Phys. Lett. 22（2005）1709] and Huang et al. [Sci. Chin. 48 （2005） 614], as well as some available experimental data. The assessment is made for two test cases, with incoming Mach numbers and Reynolds numbers M = 2.25, Re = 365, 000//in, and M = 4.5, Re = 1.7 × 10^7/m, respectively. It is found that in the first case the prediction of RANS models agrees well with the DNS and the experimental data, while for the second case the agreement of the DNS models with experiment is less satisfactory. The compressibility effect on the RANS models is discussed.     

Acoustic Calculation for Supersonic Turbulent Boundary Layer Flow

An approach which combines direct numerical simulation （DNS） with the Lighthill acoustic analogy theory is used to study the potential noise sources during the transition process of a Mach 2.25 flat plate boundary layer. The quadrupole sound sources due to the flow fluctuations and the dipole sound sources due to the fluctuating surface stress are obtained. Numerical results suggest that formation of the high shear layers leads to a dramatic amplification of amplitude of the fluctuating quadrupole sound sources. Compared with the quadrupole sound source, the energy of dipole sound source is concentrated in the relatively low frequency range.     

Turbulence Modulations in the Boundary Layer of a Horizontal Particle-Laden Channel Flow

Turbulence modulations are experimentally investigated using particle image velocimetry （PIV） in the lower boundary layer of a fully developed horizontal channel flow. A simultaneous two-phase PIV measurement technique is adopted to acquire the turbulent statistics quantities and to examine the coherent structures in the near-wall region. Polythene beads with diameters of 60 μm are used as dispersed phases, and the PIV measurements have been performed at three mass loadings varying from 2.5 ×10^-4 to 5 × 10^-3. All the experiments are performed at a wall shear Reynolds number of Reτ = 430. The results show that the presence of the particles suppresses the coherent structures, with shorter streamwise extent of the quasistrearnwise structures, and then, the wall-normal velocity fluctuations and shear Reynolds stresses are both decreased in the near-core region. In addition, as a result of the particle wake, the turbulence intensity and shear Reynolds stress both increase in the vicinity of the wall. Due to the drag effects of the particles on the gas, the streamwise velocity gradients decrease in the outer region and increase in the viscous sublayer, meanwhile the thickness of the viscous sublayer also decreases. These results cause the peak values of the streamwise velocity fluctuations adjacent to the wall to increase, and the peak positions shift to the wall. This is the reason for decreasing the near-wall region and increasing the near-core region of the streamwise velocity fluctuations in appearance.