气动热效应的影响及解决方案初步分析

与一般红外成像系统不同的是，高速红外成像探测系统面临着严重的气动光学效应的影响．其中气动热效应的影响将降低红外成像系统光学窗口的工作性能，甚至会对光学窗口产生严重的破坏作用．分析和研究气动热效应的形成机理、影响程度等，并采用合适的解决方案是当前国内外高速红外成像探测技术研究的关键技术之一。本文采用仿真设计、理论计算等方法分析了高速红外成像探测系统的气动热效应影响程度，并针对典型的光学窗口外部制冷方案等进行了初步分析计算；参考国外研究资料，提出了高速红外成像探测系统的理想气动外形和内部冷却方案，为今后高速红外成像探测系统的气动热效应防护措施等方面的研究提供了一定的参考依据。     

计算气动光学研究进展

计算气动光学是采用数值计算的方法研究高速空气动力流场对光波传输和光学成像影响的一门交叉学科,在红外成像制导设计等工程应用中发挥着重要的作用。总结了计算气动光学研究的三种基本计算方法,包括基于CFD简化方法的光学统计估算、基于RANS流场的计算和基于LES/DNS瞬态流场的计算,对这三种计算方法的基本理论、计算过程进行了介绍,综述了新近的一些计算气动光学研究进展,最后指出了未来的研究重点和方向。     

微观能量分析气动光学效应时变误差的方法

针对高超声速飞行器在大气层内飞行过程中采用自主天文导航时,气动光学效应导致的光学传感器成像畸变严重干扰导航精度的问题,提出一种在微观能量变化机制层面探究气动光学效应时变误差的方法。该方法基于光子传输理论分析光子与湍流分子的相互作用机制,建立光子在高速流场中的传输模型,对光子在湍流传输过程中的能量分布进行统计。通过建立微观光子体系下的气动光学效应评价函数,得到气动光学效应的时变误差描述,统一了微观能量分析与宏观几何光学之间的关系,利用光子微观方法进行数值仿真分析,并将仿真结果与风洞试验结果进行了对比,为高超声速飞行器气动光学效应的研究提供了新的研究思路。     

带凹窗斜劈高速湍流气动光学效应研究

采用数值方法分析研究了带凹窗斜劈高速湍流气动光学特性受窗口深度的影响。湍流数值模拟采用耦合J-B模型的RANS/LES混合方法即DES方法,依靠双时间步LU-SGS方法开展非定常迭代求解,并且利用物理光学方法和波前重构技术等计算气动光学效应,用于分析近场波前畸变和远场光斑分布情况。模拟结果表明,在窗口较浅时,窗口前缘处产生较强激波,带来更大的波前倾斜影响,而窗口较深时,分离剪切层、旋涡等流场结构导致气动光学效应的非定常特性更为显著;高速湍流导致的气动光学效应很强,在所模拟条件下,波前倾斜、均方根光程差、峰谷值以及Strehl比分别达到69μrad、0.22λ、1.2λ和0.31,其对应的跳动值38μrad、0.04λ、0.8λ和0.43。     

针对气动光学效应的RANS计算方法研究

针对气动光学效应研究的特殊需求,发展了相应的RANS计算方法.首先对常规湍流模型进行评估,选出对平均密度空间分布预测较好的湍流模型;同时发展了光波折射率脉动值的输运方程,用以模化脉动密度对光学成像的畸变效应.针对一典型光学头罩作为研究对象,运用本文发展的计算方法对光学窗口流场的气动光学效应进行了计算和分析.     

基于BOS的气动光学畸变测量与波前重构

通过系统集成与开发,研究了基于背景纹影(BOS)的高分辨率气动光学畸变测量方法。分析了PIV方式的BOS系统结构与特征。在BOS中,背景点的位移受实验装置的几何参数影响,通过调整这些参数能够改变BOS成像系统的分辨率以及观测区域的大小,这是传统纹影难以实现的。通过简化光路,定量分析了BOS的灵敏度与分辨率之间的相互制约关系。在搭建BOS系统的基础上,研究了蜡烛火焰上方热对流导致的气动光学效应,并根据光线偏折角与光程差之间的关系,实现了气动光学波前重构。结果表明,蜡烛火焰造成的平面波前畸变较好的反映了流场非均匀性带来的气动光学效应,而且其空间分辨率远远高于传统的干涉测量技术。     

气动悬浮列车单向翼翼型优化与地面效应分析

高速气动悬浮列车(Aero-train)是一种利用机翼地面效应原理的创新型高效高速低能耗高速列车。本文以LA203A为基础翼型,利用遗传算法与数值模拟的方法对基础翼型进行气动优化设计。通过对优化翼型的地面效应模拟分析,得出优化后的翼型其气动特性有明显改善,并由此得出气动悬浮列车单向翼离地间隙、迎角与阻力、升力、升阻比之间的关系。利用CFD技术对安装有基础机翼和优化后机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)整车气动特性进行数值模拟以及分析前后端机翼的流场特性,并利用风洞实验方法对装有优化机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)气动特性进行研究。利用遗传算法优化后机翼翼型升阻比特性较基础翼型最高提升26%,具备优化机翼的气动悬浮列车(AERO-1)在地面效应下的气动特性优于原始模型。本文研究为机翼地面效应分析以及气动悬浮列车研究提供理论依据。     

超声速自由旋涡气动窗口的气动光学特性计算与分析

笔者讨论了超声速自由旋涡气动窗口的气动结构，对设计的超声速自由旋涡气动窗口射流流场及超声速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了分析研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应，给出了计算结果。     

更高速(400+km/h)列车气动减阻技术发展与展望

合理有效的气动减阻技术是我国研发运营速度400+?km/h高速列车的过程需展开深入研究的重点内容.首先阐述了高速列车气动阻力的基本分布特征,并针对国外下一代更高速列车的气动减阻技术进行了调研,尤其分析了欧洲、日本和韩国的下一代更高速列车气动减阻技术的特征,总结了国外下一代高速列车气动减阻的关键技术与方法.然后根据列车气动减阻技术实施部位的差异,从列车头型优化以及转向架、受电弓和风挡等局部结构优化两个方面对我国目前高速列车气动减阻技术研究现状进行了分析和梳理,同时归纳了新型气动减阻技术的研究现状.最后在综合国外下一代更高速列车气动减阻技术与我国气动减阻技术研究的基础上,对我国更高速(400+?km/h)列车气动减阻技术中可行性较高且效果明显的发展方向进行了展望与建议,为我国更高速列车气动减阻技术的设计与发展提供有价值的参考.     

常规靶场光学辐射测量及其大气效应校正

简要介绍了光学辐射测量的理论以及辐射测量在常规靶场武器试验中的一些应用,常规靶场常见目标的光学辐射特征、主要测量参数及意义。论述了红外辐射计校准的意义、校正的方法以及仪器选购需注意的几个问题。还讨论了辐射测量中大气效应校正的重要作用和方法,以及相关的软件。     

红外成像系统无热化设计

讨论了红外成像系统在工作温度变化时产生的温度效应及其对成像的影响,包括光学元件的热变形、光学窗口的热应力及窗口的热辐射噪声,将结构件材料的线胀系数作为优化变量,提出了光学机械综合被动补偿无热化设计方法.采用热瞳判定与高密度光线计算法分析了光学窗口的热辐射,提出了基于表面辐射分析的无热化优化方法.计算表明,无热化设计使系统对温度的均匀变化和轴向温度梯度不敏感,对热应力不敏感,但径向温度梯度对像质影响较大.基于表面辐射分析的优化设计可以减少窗口辐射在探测器上的功率密度.     

离心甩油盘径向喷雾破碎机理实验研究

本文发展了离心甩油盘高速旋转雾化的光学测试实验台,采用高速数字成像、高速阴影成像等可视化方法研究了在不同转速（8～20kr/min）和燃油流量（4～15g/s）下航空煤油的喷雾形态及燃油破碎过程,分析了喷雾特性变化规律,并采用激光粒度分析仪测量了不同工况下的燃油雾化粒径及其分布规律。实验结果表明,甩油盘雾化过程中,科氏力推动液膜聚积在与甩油盘旋转方向相反的喷口一侧,且甩油盘喷孔出口处的液体呈薄片状。随着燃油的进一步破碎雾化,实验中观察到三种不同的破碎形态：韧带破碎、袋状破碎和剪切破碎,跟转速和燃油流量有关,研究基于气动韦伯数和液气动量比给出了破碎模式图。研究表明甩油盘转速是影响雾化特性的主要因素,甩油盘转速越高,燃油粒径越小;离散度在气动韦伯数和液气动量比的综合作用下呈现不同的变化趋势。     

红外焦平面阵列非均匀性校正研究

红外焦平面阵列的非均匀性严重影响了红外成像质量,因此必须对其进行非均匀性校正。在深入地分析了非均匀性的来源及其表现形式的基础上,对目前存在的几种非均匀性校正方法进行了详细的探讨和对比,并给出了研究建议。     

国内高速列车气动噪声研究进展概述

随着运行速度的提升,气动噪声逐渐成为高速列车最主要的噪声源,并极有可能成为新设计高速列车的一个技术瓶颈。开展高速列车气动噪声研究,明晰高速列车气动噪声机理与规律,发展低噪声高速列车外形设计对更高速度级的高速列车研发具有重要意义。本文主要对自2010年以来国内进行的高速列车气动噪声研究进行梳理总结。首先详细介绍了高速列车气动噪声研究采用的一系列方法,主要从实车试验、风洞实验以及数值模拟方法三个方面展开。在掌握高速列车气动噪声研究方法的基础上,进而探讨了当前高速列车气动噪声研究的现状,重点就高速列车气动噪声源识别、主要噪声源机理与特性、噪声源优化等方向进行了阐述,并明确了当前研究获得的一些主要结论。最后简要探讨了高速列车气动噪声未来可能的研究方向。     

典型光学窗口流场的气动光学效应数值模拟

采用延迟脱体涡模拟方法计算共形光学窗口转塔和平面光学窗口转塔的绕流流场，并根据绕流流场定量分析在转角0°、90°和180°下两种光学窗口的气动光学效应和远场衍射结果。采用Zernike多项式拟合波前，并结合自适应光学分析两种光学窗口所发射光线的传输性能。结果表明：在无自适应光学矫正下，平面光学窗口在0°和180°转角下的光线传输性能优于共形光学窗口，90°则相反；在自适应光学矫正平移、倾斜、离焦和像散等低阶项时，共形光学窗口在90°和180°转角下其光线传输性能都优于平面光学窗口；而在0°转角下，两种光学窗口的光线传输性能相近。随着转角的增大，两种光学窗口气动光学效应中的高阶项不断减小。值得注意的是，近场畸变的光线在远场衍射后的光强峰值可能会大于未畸变光线远场衍射的光强，且其光强峰值位置会严重偏移。     

高超平板边界层转捩的气动光学诊断技术

高超声速平板边界层转捩是基础研究和工程应用中的一个重要的难题,对于转捩区域的理论估计和试验诊断与实际飞行试验结果有较大的偏差。随着光学测试技术的发展,高超声速气动光学研究水平不断提升,在气动光学中,一个重要的问题是边界层流动对穿过流场的光束存在影响,使光束发生畸变,包括光束的偏折、模糊和抖动。将上述两个问题结合起来考虑,高超声速边界层的转捩过程会使穿过边界层的光束的畸变情况发生变化,通过研究流场状态变化与光束畸变的变化之间的关联,尝试建立一种以气动光学测试方法为基础的边界层转捩诊断技术。本文具体分析了高超平板边界层转捩与细光束抖动特性之间的联系,提出了可以通过气动光学的细光束技术和高速图像拍摄技术对高超平板边界层转捩进行检测识别的新思路,并在FD-20风洞中来流Ma=8,ReL=1×107/m条件下,采用SABT(Small-Aperture Beam Technique,即细光束技术)以及HICS(High-speed Imaging Camera System,即高速图像拍摄系统),开展了平板模型边界层转捩的细光束抖动特性实验。试验模型的中心子午线上布置了有机玻璃窗口,可通过窗口测量光束通过测点及边界层后的抖动情况,结果表明再边界层的不同流向位置,细光束的抖动出现了幅值方差的变化。将这一试验结果与同一模型中心子午线的气动热测试结果相比较表明,细光束抖动特性的变化趋势与转捩区中的热流增长趋势相同,因此,采用上述气动光学检测技术对高超平板边界层转捩进行诊断和识别,存在可行性。     

红外头罩气动光学试验

为了探索红外头罩受到气动加热时导引头成像系统对目标识别影响精度,在电弧加热地面模拟试验设备上,针对"热"与"透"的联合模拟,研制了直通及三通两种试验方案,在一定的热环境参数下对几种红外头罩材料进行了试验研究,取得了相应的光学传输测试试验结果。其中"三通"试验方案因为具有更大的适应性和便易性而成为首选方案。     

线间距对时速600公里级高速磁浮列车明线交会气动性能的影响

高速磁浮列车设计速度高达600 km/h，明线交会时压力波幅值激增，容易导致列车结构疲劳损伤。作为影响高速列车明线交会气动特性的关键参数，线间距是研究重点之一。本文采用计算流体力学数值仿真方法和网格滑移技术，模拟了高速磁浮列车在线间距5.1 m、5.4 m、5.6 m的线路上明线交会时的气动特性，对比分析了高速磁浮列车表面压力分布及列车气动力/力矩的变化规律。结果表明：明线交会时，列车气动升力、侧向力和倾覆力矩随着线间距的增加明显降低；列车表面测点压力最大值、最小值的绝对值以及最大压力幅值随线间距增加近似呈线性关系降低；线间距5.1 m时，高速磁浮列车表面最大压力幅值为5 379 Pa，小于车体承载极限±6 000 Pa，满足600 km/h交会时对气动特性的要求。     

红外光学系统用聚硫橡胶材料的研究

本文所述红外光学系统为各圆形光学零件所组成的传感光组，必须应用现代胶接密封法进行连接，对不同材质不同膨胀系数光学零件结构装调，在高、低温变化情况下，保证成像质量和密封性能，聚硫橡胶材料具有最佳的技术状态，经过反复探索，研制的Ｓ－７－１聚硫密封胶的技术指标，性能，以及胶接密封工艺方法，完全能够满足红外光学系统技术条件的要求。     

高速列车进出隧道空气动力学特征模型实验分析

高速列车在进出隧道时，会产生一系列气动效应，以致于在隧道周围形成噪声污染，降低列车乘坐的舒适度。模型实验是研究和解决这些问题的有效方法。在建立高速列车模型实验相似准则的基础上，利用压缩空气式高速列车模型发射系统对高速列车进入隧道过程进行了模型实验，对测试结果进行了分析，得出压缩波产生、传播的一些规律，并将测试结果与现场实测数据进行比较，验证了模型实验结果的可用性和相似准则的正确性。