梯度折射率热辐射的研究现状及在航天器技术中的应用展望

在综述近年来国际上梯度折射率热辐射研究与应用现状的基础上，简要介绍了梯度折射率介质层热辐射传递的基本物理特征，以及由此引起的热辐射平衡温度分布特性、辐射一导热耦合换热特性及介质层的表观辐射特性。梯度折射率介质热辐射所显示的一些特殊性质，使之可能在未来航天器各技术领域中有不同程度的应用前景，对此进行了初步分析和展望。     

飞行器热天线热电联合计算方法

为了研究高温环境对热天线电性能的影响,提出了一种热电联合计算方法,通过三维热、电信息传递程序实现不同温度区域介电性能的空间加载,以此关联温度场与电磁场网格节点信息,实现温度场-电磁场耦合问题的联合计算。介绍了热电联合计算方法的原理与思路,并以某型热天线为研究对象,考查天线温度分布对电性能的影响程度,为飞行器热天线的精细化设计提供了途径。该方法可应用于热透波结构的高温电性能分析,尤其对于恶劣热环境下的热天线/天线罩设计具有较高的应用价值。     

高温非平衡氮组分多温度振动-离解耦合模型

基于多温度模型的基本思想,从惟象角度分析了非平衡状态下双原子分子振动态分布的特征信息。研究了双原子分子在非平衡弛豫过程中振动—离解耦合特点,认为较低和较高振动态首先达到相对独立的准平衡状态,较高振动态的局域离解造成的相对数密度分布密度差将导致各个振动态数密度从新分布;而这一过程也是系统通过V-V传能、T-V传能不断把位于较低振动态的分子通过中间振动态激发到较高振动态,为离解做能量积累的过程。通过对目前较常用的Hammerling假设的修正,用中间振动态数密度分布情况重新定义了双原子分子非平衡态下的振动温度,建立了新的关联振动-平动温度的双原子分子振动态非平衡近似分布模型。通过模拟氮分子非平衡激波加热过程结果表明,本模型较好地预报了氮分子非平衡振动松弛过程中"诱导期"以及平均振动能、振动温度的时间特性。     

涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件, 通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的, 因此, 高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性: 不透明界面和半透明界面, 镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。      

燃烧产物二氧化碳高温辐射的窄谱带模型参数

窄谱带模型法与CG近似及LS近似结合能够很好处理非灰、非等温、非均匀介质的辐射传输问题,在飞行器发动机燃烧室及尾喷焰高温辐射传输问题研究中多被采用。二氧化碳是含碳类推进剂主要的燃烧产物,其辐射特性的研究一直受到国内外重视,但其现有的窄谱带模型数据不完整或分辨率太低。本文利用最新的高分辨率高温燃气光谱数据库HITEMP(序列号:3153),并将其中的谱线光谱参数外推到300～3000K的温度范围内,计算得到了一个新的、完整的、分辨率较高的二氧化碳窄谱带模型参数库。以本文计算的模型参数为基础,采用窄谱带模型计算了各种光学路径下的发射率、穿透率,其结果与实验值符合很好。      

高温下加热/冷却管内参与性介质的辐射与对流耦合换热研究

本文通过数值模拟方法研究了高温下加热/冷却管内层流充分发展流动的参与性介质热起始段的辐射与对流耦合换热。采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的非线性积分微分辐射传递方程,采用有限差分法求解辐射与对流的耦合换热能量方程。通过计算,分析了不同壁温及入口温度下,介质导热系数、壁面发射率、介质散射反照率及散射相函数等因素对局部努谢尔数、壁面热流密度及有效加热/冷却长度的影响,并同时采用努谢尔数和壁面热流密度评价了耦合换热中辐射对对流换热的影响。      

十一组元高温平衡、非平衡空气光谱吸收系数计算

飞行器以很高的马赫数再入大气层时 ,头部激波层、尾迹的气体辐射产生的紫外、可见、红外特征信号 ,是地面监测和反导制导系统探测、识别的主要依据 ;同时 ,头部气体层热辐射也是再入体壁面加热热流的重要源项。激波层内高温气体吸收系数是目标紫外、可见光、红外辐射特性计算、热防护计算和气动流场辐射场耦合计算的基本参数。本文分析了再入过程中高超声速稀薄气体流的非平衡现象 ,采用三温度模型 (电子能温度 Te、振动能温度 TV、转动和平动能温度 TR)来表征激波层内非平衡态的气体组份各个能级占有数分布 ,并由原子分子辐射理论直接计算 N2 ,N+ 2 ,N,N+ ,O2 ,O+ 2 ,O,O+ ,NO,NO+和 e-等 1 1种主要空气组元各种能级跃迁对辐射的贡献 ,最终得到平稀和非平衡高温空气吸收系数计算模型。计算结果可见光区与试验结果符合较好 ,紫外、红外区结果稍差     

数值模拟喷焰2.7微米红外辐射特性

以固体火箭发动机尾喷焰的红外探测为主要应用背景,利用反向蒙特卡罗法和有限体积法计算了火箭尾喷焰红外辐射特性,获得了尾喷焰在探测波长为2.7μm下的红外辐射的空间、光谱分布特性,两种方法的计算结果也非常接近,具有重要的理论意义和实际应用背景。     

相变及炭黑杂质对氧化铝粒子流辐射特性的影响

基于Bruggeman有效介质理论与反向蒙特卡罗法计算了轴对称高温氧化铝粒子流在轴线正侧向辐射强度分布。采用Bruggeman有效介质理论计算多相态共存氧化铝粒子以及含少量炭黑杂质的氧化铝粒子的等效光学常数,以此为基础,通过反向蒙特卡罗法考察氧化铝粒子相变过程以及粒子中少量炭黑杂质对粒子流场轴线上辐射特性的影响。发现粒子相变过程中多相共存状态对高温粒子流场紫外波段辐射信号的影响不可忽略,氧化铝粒子中含有少量炭黑杂质就能够明显降低粒子流高温区间轴线上光谱辐射强度,当波长增加到近红外波段时,离喷口较近处轴线正侧向相对光谱辐射强度随着含炭黑量的增加而增大。     

半透明高温涂层的内部辐射效应

为了准确计算涂层和金属基底内的温度和热流，需要考虑涂层内部热辐射的影响。采用光线踪迹／节点分析法对吸收、各向同性散射性非灰涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热进行数值模拟。与多个文献的计算结果比较表明，计算方法正确，计算结果精度高。数值模拟结果表明，忽略涂层内的热辐射会使实际运动中的金属部件温度高于设计温度。