基于有限体积法和SNBCK模型的红外辐射特性计算

耦合求解流场、组分浓度场、基于SNBCK模型的气体辐射传输/能量方程以求准确模拟飞行器排气系统气动热力及红外特性.窄带模型参数由HITEMP逐线计算数据库计算得到.通过CO₂4.3μm波段吸收率计算,圆柱炉膛辐射换热特性计算两个算例验证了所采用程序求解辐射传输/能量方程的准确性.最后计算了两种二元喷管的红外特性,结果表明大宽高比二元喷管地面和空中状态红外辐射特性差异巨大.     

基于CO2测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO₂观测数据,分析CO₂浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO₂浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO₂浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO₂浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.      

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

二维H2/O2混合和流动的直接数值模拟

用高阶精度的紧致差分方法,对低速的随时间发展的二维可压缩H-2/O-2混合层流动编制了直接数值模拟的计算机程序,对雷诺数Re为400、来流马赫数Ma分别为0.4(上部的H₂)和1.57(下部的O₂)的H₂/O₂亚跨超声速混合层流动进行了计算,得到了相应的计算结果,并对结果进行了分析和研究.     

135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.      

V形尾缘喷管流场与红外特性的数值模拟

采用有限体积QUICK格式和重整化群(RNG) k-ε 湍流模型,并结合壁面函数,同时利用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算热辐射,以灰气体加权模型WSGGM(Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、固壁中的热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程.采用此耦合计算模型对V形尾缘的收敛喷管进行了数值模拟,计算所得数据与试验吻合良好.在此基础上,对有/无V形尾缘收-扩喷管的内外流场与红外特性开展了数值模拟.结果表明:V形尾缘在尾喷流的剪切层中产生了强烈的流向涡,促进了内外流的强化混合,明显缩减了喷管出口附近喷流的红外辐射.      

释放不同化学物质对电离层扰动的比较

在电离层F区释放氢（H₂）、水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、六氟化硫（SF₆）、三氟溴甲烷（CF₃Br）、羰基镍（Ni（CO）₄）可以损耗局域等离子体电子密度,形成电子空洞,电离层电子密度的改变主要取决于释放物质的气态分子与电离层之间的离子化学反应.在电离层人工主动扰动实验中,应根据发射成本和扰动效果对释放物质进行选择.通过热力学原理和有限元模拟方法计算比较了上述6种物质对电离层的扰动影响.计算结果表明,6种物质中水的气化率最低,约为19%,其余5种物质都在60%以上,选择密度小的物质,例如H₂和CO₂,可以有效降低发射成本.另外,扩散较慢且化学反应较快的物质,例如SF₆和Ni（CO）₄,能够使得电离层电子密度减少得更多,并且受扰动区域更广、持续时间更长.     

密闭空间内氢气和二氧化碳甲醇化系统的非均相模型及反应特性

在载人密闭空间内通过电解水方式为乘员供氧会产生副产物氢气（H₂）。此外,乘员还呼出二氧化碳（CO₂）。将H₂和CO₂催化合成甲醇（CH₃OH）是消除载人密闭空间内富余H₂和CO₂的最优方式之一。对其开展反应过程建模及反应特性研究有助于进行反应过程的控制,更好地维持载人密闭空间内的大气平衡。本文采用微元法建立了H₂和CO₂催化合成甲醇的物料计算模型和温度一维非均相模型,研究了不同反应压力、冷却介质温度以及入口反应气体中CO₂与CO比值等反应条件下的反应特性变化规律。结果显示,反应压力的增加、冷却介质的温升以及入口气体中CO₂与CO比值的减小均能促进各反应速率增加,进而使得H₂和CO₂消除量增加、甲醇合成率上升以及催化剂和反应气体最高温度上升。在保证反应速率增加且催化剂最高温度不超过合理反应温度区间的最大值573.15 K时需维持反应压力不大于8 MPa,冷却介质温度不高于538.15 K以及CO₂与CO比值不小于1。      

液体火箭喷焰红外特性的数值仿真

用传输方程积分法计算液体火箭喷焰在光谱2~5?μm的红外特性,并考虑了经过海平面一定长度的水平路程后大气对液体火箭喷焰辐射的衰减作用.计算喷焰的形状为圆柱形,温度和组分的摩尔分数沿轴向和径向变化.计算中考虑气体组分H₂O,CO₂,CO的吸收与发射,喷焰内燃气的光谱透过率用SLG模型计算,大气的光谱透过率用LOWTRAN7.0计算.给出一台推力为1.125×10⁶N的液体火箭发动机喷焰表面以及经过海平面0.88?km水平路程大气衰减后的光谱辐射强度,经比较与参考文献给出的结果基本一致.     

二甲醚部分氧化重整制氢热力学分析及实验

用元素势能法对二甲醚(DME)部分氧化重整制氢进行了热力学分析与计算,在定压绝热条件下计算了产物中各组分的体积分数随空醚比(0.5~4)和压强(0.1~0.5MPa)的变化关系.结果表明:H₂的体积分数随压强的增大而减小;在标准大气压和空醚比为3的条件下,由二甲醚部分氧化反应得到的氢气体积分数最大,约为35%;H₂的体积分数随空醚比的增大先增后减,CO的体积分数变化不明显,CO₂和CH₄的体积分数随空醚比的增大而减小.最后,在自制实验台上进行二甲醚等离子体重整制氢的实验,将该实验结果与热力学分析结果进行了对比分析,结果证明用元素势能法分析得到的H₂,CO,CH₄和CO₂的体积分数随空醚比的变化趋势与实验结果较为一致.      

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

某火箭三子级剩余推进剂汽化研究

针对某火箭三子级剩余推进剂的汽化过程,建立了一个零维的数学物理模型.在给定太阳辐 射角的工况下,对贮箱中低温液体推进剂汽化时,贮箱内气体温度和压力变化、贮箱内质量 变化、进入贮箱的外界热流的变化及贮箱排放推力的变化等进行了数值计算,并对贮箱保险 活门排放推力对火箭在轨速度的极限影响作了简单分析.计算结果可进一步用于该火箭三子 级钝化技术的研究.     

高超声速翼面气动热与静气动弹性综合分析

研究了考虑热效应影响的高超声速飞行器的静气动弹性问题.建立了考虑热效应影响的高超声速飞行器从气动热计算到静气动弹性分析的快速分析方法,该方法采用分层求解思路对热气动弹性问题进行解耦,利用边界层外的无粘数值求解和边界层内的工程算法相结合的方法,计算高超声速飞行器的表面热流,获得模型的温度场,并基于该温度场计算结构热刚度矩阵.以高超声速飞行器小展弦比翼面为研究对象,计算了该模型在3种飞行状态下的温度场、热应力、热刚度和静气动弹性特性,从而验证了热静气动弹性快速分析方法的可行性和适用性.     

基于中波红外热成像的温度场测量技术研究

随着红外探测技术的不断发展,基于中波红外热成像的测温技术得到了越来越广泛的应用。在研究中波红外成像系统测温原理的基础上,探讨了黑体辐射定标技术,以及环境辐射和定标数据处理方法对测温准确度的影响,提出了一系列的处理方法,实现了一套基于红外成像的温度场测量方案,并有效补偿了环境辐射对测量结果的影响,同时降低了定标数据拟合引起的误差,使测温准确度得到了很好保证。     

基于多光谱测温优化的材料光谱发射率测量

针对高温材料红外光谱发射率测量中样品表面温度难以准确测量的问题,提出了直接使用光谱仪测量得出样品表面的光谱辐射能量信息,选取其中合适的光谱波段利用多光谱测温方法得到样品表面温度,进而计算出材料的光谱发射率.分析了多光谱测温中发射率模型的阶次和测量波段选取对测温准确度的影响,给出了温度计算的稳健算法,并对其主要不确定度的来源进行了评定.在1 100 K左右温度下以不锈钢材料进行实验验证,得出温度引起的光谱发射率相对不确定度在2～20 μm范围内低于2%,满足红外隐身和辐射测温等领域的要求,适合于导热性能差的材料或涂层材料的高温光谱发射率测量.     

基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.      

低温环境下红外辐射标定技术研究

低温环境下红外场景生成装置的标定是对低温红外目标特征评估和精准探测的前提。通过标定过程中热辐射-光子-电子转换测量的传递途径,建立基于红外热像仪灰度的低温标定模型,用最小二乘法进行拟合,得到模型中的辐射出射度响应函数和系统固有偏置。搭建了低温标定实验装置,根据热像仪对低温辐射源不同辐射出射度的测量结果,得到标定方程。分析了理论值和实际测量值的误差,在低温黑体辐射出射度9.79W/m2处,热像仪的辐射出射度误差最大,为-0.17W/m2,此时的灰度误差为-9.91DN。