基于数值方法的三维激光海面漫反射特性研究

为提高卫星海色遥感技术在实际应用中的效率,对不同海况下不同入射角度的三维激光海面漫反射特性进行了建模仿真计算,并在实验室条件下对激光入射波动水面后产生的散射场能量分布特性进行了研究。根据麦克斯韦尔方程和边界条件分析了散射场在各向分量间的耦合关系,矢量分解后得到了6个标量方程并用矩量法进行离散,给出了离散后的矩阵方程。用稀疏矩阵规则网格法(SMCG)求解矩阵方程,求解时采用共轭梯度法(CGM)计算。在对有限照射区域进行计算时,为减少边界效应产生的误差,用能量强度服从高斯分布的三维锥形波模拟入射激光束。仿真计算了不同粗糙度海面的三维双站散射系数,结果发现:对相同粗糙度海面模型,入射角度越小,粗糙面对激光的漫反射就越大,散射场的能量分布也越均匀。用实验对仿真结果进行验证,结果表明:与基尔霍夫近似(KA)和二维前后向迭代法(FBM)相比,该方法能准确表示波动水面的三维激光漫反射特性,为进一步研究三维激光海面漫反射特性奠定了基础。     

高超声速条件下星光传输模拟方法与仿真

以高超声速飞行器为研究对象,建立了高速流场下的星光传输模拟仿真方法,定性、定量地研究平台气动光学效应对星光导航的影响。采用基于k-ω/SST两方程湍流模型的雷诺平均法计算星敏感器安装在飞行器不同位置处（头部、中部和尾部）的外流场密度分布,进而得到流场的空间折射率分布。在此基础上,利用几何光学法计算星光由高速层流流场引起的光程差、点扩散函数、像偏移等光学传输效应,得出经过层流流场的星光降晰图。同时运用统计光学理论计算高速湍流流场引起的星光出瞳面的波像差、密度均方差、相位均方差、Strehl比等光学传输效应,得出经过湍流流场的星光降晰图。仿真结果与理论分析吻合,从而为研究星光在高超声速流场中传输的机理提供了可靠的技术手段。     

铝粉对固体推进剂羽流红外特性的影响

为研究铝粉对固体推进剂羽流红外特性的影响,建立了羽流红外传输的计算模型,通过在流场能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解.基于欧拉-拉格朗日方法,对考虑后燃化学反应的-气固两相羽流流场进行了计算,使用离散坐标法求解羽流辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1 000～4 500 cm-1范围内的分布...     

简化雾化器下游喷雾特性及气相的相互作用

详尽研究了一个简化空气雾化器所产生的流场。此雾化器可在复合非涡流及涡流的空气流场中形成环状液膜。合成雾化产生的液滴尺寸及速度由二维多谱勒相位粒子分析仪测量。测量位置沿轴向由喷嘴到下游8mm 至150mm 范围内分布。采用激光测速仪测量了气相参数。同时也试验了此类型空气雾化器涡流对液滴运动的作用。结果表明雾化过程对气相作用显著。     

离心式喷嘴全流场数值模拟

将离心式喷嘴流场数值模拟由内流场扩展至外流场,将喷嘴出口的一段区域纳入计算域,探索用数值模拟方法研究全流场的流动特性并在此基础上对雾化特性进行分析。计算结果给出全流场的液膜形状以及气涡与液膜共存的流场结构,直接给出雾化锥角。采用VOF方法捕捉气液界面,湍流模型选择RNG双方程模型,对容积分数方程选择积分平均型TVD格式...     

用MLFIPWA求解二维介质柱电磁散射

将多层快速非均匀平面波算法（MLFIPWA）用于求解二维介质柱的电磁散射,给出了计算模型。在积分方程法求解电磁散射中,用快速非均匀平面波算法（FIPWA）对目标分层分组,附近区直接计算,非附近区通过聚合、转移和配置加速矩矢相乘,减小MLFIPWA的数值计算量。算例表明：MLFIPWA特别适于处理电大尺寸目标的电磁散射。     

激光诱导荧光法和化学发光法诊断连续波HF化学激光器超音速流场

用改进的激光诱导荧光法诊断超音速连续波化学激光器冷流场,可显示整个流场,得到清晰的气流激波图像,在垂直于入射激光束的方向上空间分辨率可高达0.5毫米。化学发光法利用HF化学激光的倍频发射,用光学多通道分析器记录其光强的空间分布来诊断有反应的热流场,它与红外光学扫描法比较,具有诊断迅速和空间分辨率高等优点。     

基于FFT算法的激光有源非稳腔光场分布数值计算方法

在激光器应用中,激光发散角是重要的技术指标,可由光场分布得出。非稳腔由于易于实现高光束质量输出的优势,是激光器的常用腔型。为了快速获得有源非稳腔激光器的光场分布,提高激光器设计仿真效率,在参考了现有激光器谐振腔数值算法的基础上,建立了一种基于快速傅里叶变换算法的有源谐振腔光场分布计算模型;基于该模型,开展了有源非稳腔的谐振腔特性研究,重点分析了小信号增益分布、输出镜反射率分布及谐振腔的腔镜失谐等因素对激光器光场分布的影响,并量化分析了上述参数对激光器发散角的影响;同时,通过搭建激光器样机,获得了激光输出光斑分布、失谐发散角参数等试验结果,并与光场分布计算模型的计算结果进行了对比分析,认为两者的光斑分布及发散角随腔镜失谐角度变化的趋势大致相同,验证了光场分布计算模型的正确性。因而,在有源谐振腔设计中,应用文章中建立的计算模型,可以对激光器的泵浦设计、腔镜参数选择等提供直观、量化的参考。     

基于远场模式的散射体形状成像

对线性抽样法的电磁场逆散射求解进行了研究。为避免迭代和优化法的正问题求解，用积分算子将散射物边界数据映射到散射场的远场模式，针对第一类积分方程的不适定性，用Tikhonov正则化法求解，并用高阶收敛算法确定正则化参数以快速数值实现。数值计算结果表明：线性抽样法＋确定正则化参数的高阶收敛算法可较好地滤除噪声，减少了确定正则化参数的计算量。     

空间飞行器目标电磁散射特性分析

根据某空间飞行器及目标几何模型,用高频近似法计算飞行器的电磁散射和角散射线偏差等,计算结果与矩量法(MOM)及暗室测试结果吻合,验证了算法的正确性,并给出了该空间飞行器雷达散射截面积(RCS)的统计结果、角闪烁在近距离的变化,以及模拟运动过程中散射特性随时间的变化。结果表明:该空间飞行器点频后向RCS满足χ2分布模型;在远场,角闪烁引起的线偏差与距离基本无关,在近场,线偏差与距离密切相关;动态散射特性与运动中的相对姿态和距离等密切相关。     

高超声速旋转体气动加热、辐射换热与结构热传导的耦合数值分析

采用流场-热-结构耦合的计算方法,耦合气动加热、辐射换热和结构热传导,互为边界条件进行同步计算,研究了旋转体高超声速的流场和固壁温度分布,并数值模拟了旋转体的外流场和固壁结构温度场的非定常过程。计算结果表明：该数值方法可行,能较好地模拟整个流场和温度场的物理变化过程。     

导弹及其流场对红外导引系统干扰的数值研究

研究导弹高速飞行时,头部弹体材料和激波层流场由于气动加热产生的辐照在红外制导导引系统产生的干扰情况。根据导弹头部结构划分流场区域网格,确定辐照区网格,将导引系统第一镜网格化,确定相互间的空间关系,研究一种把气动流场的信息发送给在同一位置空间里辐照区的搜寻插值方法,建立导弹头部弹体材料和流场气体对导引系统的辐照干扰分布模型,并考虑导引系统的次镜向第一镜的屏蔽效果。计算结果是它们对第一镜的辐照干扰值的分布都是围绕导引系统第一镜中央呈圆环分布,第一镜的中央处辐照干扰最弱,沿半径方向逐渐增大到与次镜大小相等后,再沿半径方向减小。     

发射井口引射流场理论计算与仿真

针对发射井口引射流场,改进了环形线汇描述方法。推导了速度势和速度的计算公式,建立了流场的FLUENT仿真模型并进行了计算,对理论计算和软件仿真的结果进行了对照验证,根据改进的环形线汇速度计算公式,求取了流场特征曲线的近似方程并进行了验证。结果表明,改进的环形汇线的模型和FLUENT仿真的计算结果高度吻合,验证了理论公式的准确性和仿真模型的正确性;随着入口速度和箭井间隙的增大,轴向速度和径向速度的最大幅值均显著增大,随着火箭半径的增大,轴向速度和径向速度的最大幅值保持不变,但径向速度的正向峰值缓慢增大;特征曲线的近似方程可较准确地描述流场特征。研究结果揭示了发射场坪引射流场的变化规律,为分析发射场坪流场提供了有力工具。     

再入等离子体流动及其电磁波传输效应研究

基于求解N-S方程的数值方法和求解波动方程的WKB方法,建立了高超声速再入等离子体流场及其对电磁波传输影响的计算分析手段。通过比较分析飞行条件下再入体周围等离子体分布及其对通信的影响,初步验证了计算分析方法的可行性。在对再入等离子体流场数值模拟的基础上,计算了不同频率电磁波在等离子体介质中的传输特性,分析了再入体壁面催化条件及等离子体碰撞频率等因素对不同频率电磁波传输特性的影响。研究表明:再入高度越高,壁面催化对等离子体分布及其电磁波传输的影响越大;当电磁波频率低于特征碰撞频率时,碰撞频率可对电磁波传输特性产生显著影响。     

大气湍流信道中的激光束传输到达角起伏计算及实验

到达角起伏是影响近地大气激光通信链路性能的最主要因素之一。文章对近地大气湍流信道中的激光束传输到达角起伏进行了计算和实验研究。研究结果表明,在大气折射率结构常数为10^-13～10^-16量级的范围内,根据Kolmogorov湍流理论,当大气信道满足局地均匀各向同性条件下,由理论分析和实验数据计算出到达角起伏的值,进而计算出的大气折射率结构常数值,与实验测得的大气折射率结构常数值是基本一致的。     

卫星回收舱再入过渡流区气动热数值计算

返回式卫星进入地球大气层95km高度左右时,速度达到Ma20,回收舱被高超声速稀薄来流形成的弓形激波环绕,气动加热问题非常明显,准确预测过渡流区的气动热成为一个十分突出的问题。过渡区由于气体空气分子仍然比较密集,基于分子动力学的直接蒙特卡洛模拟方法(DSMC)极其耗费计算资源,而求解Navier-Stokes(N-S)方程的方法误差较大。采用添加二阶滑移条件的N-S方程求解过渡流区气动热,并与开源DSMC2V程序计算结果对比,研究了舱体母线热流、压强系数变化;通过对比两种方法下舱体前缘弓形激波及流场参数变化,分析了滑移条件影响壁面和流场参数的机理。结果表明:回收舱再入过渡区时,钝头驻点区为高压、高热流区,锥身区气动热和壁面压强保持在较低水平。带滑移条件的计算机流体力学方法(ComputationalFluidDynamics,CFD)计算得到的热流、压强系数与DSMC结果吻合良好,具有计算效率高、精度较高的优势。对流场压力、温度、速度等参数分析显示,滑移条件中壁面速度滑移和温度跳跃的加入,改变了壁面流动参数,进而改善了壁面热流和压强的准确模拟能力。滑移条件对外流场参数的影响极小,没有改善稀薄流区流场的模拟能力和激波捕获能力,模拟得到的温度、速度等流场参数及激波位置、激波层厚度等与DSMC结果仍有差别。可以认为,文章采用方法能够满足工程上快速高效预测卫星回收舱再入过渡流区气动热需要。     

基于MPPSO的线性分布细金属柱体成像研究

基于线性分布细金属柱体的散射模型,用多极子展开求解电磁散射问题。以测量的散射场和计算散射场偏差为目标函数,将待优化变量设置为描述细金属柱体中心位置的向径和幅角,通过多相粒子群算法（MPP-SO）优化待优化变量,通过使目标函数达到最小值实现自由空间中线性分布的细金属柱体族的电磁成像。算例表明：MPPSO有较好的收敛性能和成像精度,以及较强的抗随机噪声干扰能力。     

大攻角侧向喷流流场特性及喷流干扰效应

采用HLLC近似黎曼解格式求解N-S方程,对大攻角条件下超音速尖拱细长旋成体导弹的单侧向喷流干扰流场进行了数值模拟.并对喷流流场压力分布、喷口附近流动及流场旋涡结构进行了研究,分析了大攻角对细长旋成体侧向喷流干扰压力分布及干扰因子的影响.研究结果表明,HLLC格式计算复杂流场具有较好的数值稳定性;侧向喷流与来流的干扰总...     

抗大气湍流近红外计算鬼成像

为解决大气湍流造成成像质量严重下降的问题,提出一种抗大气湍流近红外计算鬼成像方法。计算鬼成像利用调制光场和物光总光强进行强度关联来获取图像信息,调制光场是决定成像质量的一个关键。利用湍流随时间和空间变化,将其作为计算鬼成像中的随机调制光场,通过功率谱反演法模拟强、中、弱三种大气湍流引起的相位扰动影响,并加载到光传播链路中完成抗大气湍流近红外鬼成像仿真分析。利用近红外相机作为探测器搭建计算鬼成像实验系统,并进行外场实验对提出的方法进行实验验证。仿真和实验结果表明,仿真三种不同强度湍流情况和外场条件下均能重构出目标物体的像,仿真图像信噪比分别为19.4 dB、24.2 dB和64.58 dB,表明了计算关联成像在近红外波段抗大气湍流的有效性。该方法结构简单,易于实现,可为近红外抗大气湍流探测提供一种技术途径。     

大气湍流对平流层星光导航中星光传输的影响

以平流层飞行器用星光导航为背景,研究在平流层内星光传输过程受大气湍流的影响机理,揭示平流层中星光的衰减规律,为建立平流层星光导航星库以及电耦合器件(CCD)所摄取的星图补偿方法提供理论依据。研究提出将流场密度和流场密度脉动变化大的区域划分为宽度为L的特性截面,并基于几何光学法及统计光学理论分别计算星光穿过各特性截面后产生的光线偏折及平均光强衰减,进而推导整个平流层内星光传输过程中的能量衰减变化曲线。采用基于k-ε双方程湍流模型的雷诺平均法计算不同极端情况下的大气湍流场密度及密度脉动分布。通过计算机数值仿真表明:星光穿过具有湍流的平流层时将发生明显偏折,其偏折程度与流场密度值有关;同时星光光强衰减,衰减程度与流场密度脉动值有关。