强激光在大气传输中瞬态受激喇曼散射效应的研究

本文用瞬态受激喇曼散射(SRS)理论,讨论了瞬态受激喇曼散射脉冲系列稳态响应和分子的储存效应。给出了在均匀介质和非均匀介质(实际大气)情况下的斯托克斯光强随脉冲间隔、传输距离和天顶角变化的函数关系。对于高重复率和脉宽较窄的强激光在大气传输中,由于分子的储存效应,受激喇曼散射较严重。     

地下二维各向异性圆柱目标近场计算的FDTD方法

利用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)研究了地下二维各向异性介质目标的散射特性。首先,总体模型采用经典的半空间总场/散射场模型,吸收边界采用各向异性完全匹配层(Uniaxial Perfectly Matched Layer, UPML);其次,入射源使用高斯脉冲,并通过一维FDTD法添加到时域迭代方程中;最后分别计算了地下二维电各向异性介质和地下二维磁各向异性介质的散射,给出了目标尺寸,土壤电参数对目标散射场的影响。通过与仿真软件FEKO的对比和模型误差分析,验证了算法和程序的可靠性。     

烟尘气溶胶光散射特性的数值模拟研究

为研究光在烟尘气溶胶介质中的传输特性,通过Mie散射算法对单个烟尘颗粒的光学参数(单次反照率、不对称因子等)进行了数值计算.基于辐射输运理论,采用蒙特卡罗法模拟了光在烟尘气溶胶介质中的传输过程,分析研究了在不同颗粒粒径、入射波长以及粒子数密度条件下,入射光通过烟尘气溶胶介质的透射率随光学厚度以及散射光强随散射角的变化规律.研究结果表明:入射波长增大,烟尘颗粒的散射能力减弱,通过烟尘气溶胶介质的光强透射率增大;烟尘颗粒粒径增大,烟尘颗粒的散射能力增强,通过烟尘气溶胶介质的光强透射率减小,且当烟尘颗粒粒径较大(如1μm)时,烟尘颗粒的光学特性变化平缓.     

大气瞬态受激喇曼散射阈值的研究

从理论上研究了强激光脉冲及其序列通过分层均匀大气的瞬态受激喇曼散射ＴＳＲＳ效应，计算了大气中不同脉冲结构参数的强激光传输产生ＴＳＲＳ的阈值光强。计算表明，由于大气参数的非均匀性，只有当脉冲重复频率大于１００倍（远大于均匀大气模型的结论）海平面大气的横向弛豫时间时，可忽略大气的记忆效应，用单脉冲的ＴＳＲＳ理论代替脉冲序列计算阈值光强。     

光学整流产生和电光取样探测THz辐射的数值模拟

从麦克斯韦方程出发,得到光学整流方法产生THz辐射的电场的表达式以及自由空间电光取样系统探测到的电光信号与入射的THz辐射电场之间的理论关系式,并选取GaAs为产生晶体,ZnTe为探测晶体,通过数值模拟讨论激光脉冲宽度、产生晶体和探测晶体厚度这三个主要的实验因素对THz光谱的影响。     

二维导体目标瞬态散射分析的混合快速算法

将时域积分方程法(TDIE)和时域物理光学法(TDPO)相结合,分析横电(TE)波入射情形下二维导体复合目标的瞬态散射特性.推导出了基于电场积分方程的显式时间步进方程.该方法将电大尺寸且表面结构平滑的目标用TDPO法求解,将电小尺寸且表面结构精细的目标用TDIE法求解.为考虑目标之间的耦合,对TDIE与TDPO进行混合迭代.数值算例中,计算了目标表面的电流响应.计算结果表明,与纯TDIE法相比,在精度相近的情况下,该混合法计算效率大大提高.     

脉冲激光在3种大气模型下传输的热晕与湍流效应研究

基于中纬度地区夏季、冬季、热带地区3种大气模型下的实验数据,通过最小二乘法拟合,分别得到了大气的吸收系数随海拔高度变化的函数式,建立了序列脉冲激光在地对空传输的热晕和湍流效应模型,编写了四维程序.通过数值分析的方法,定量地研究了这3种大气模型下的热晕和湍流综合效应.结果显示:高功率脉冲激光束在热带地区传输的热晕和湍流效应比中纬度地区强烈;脉冲激光在夏季传输的热晕和湍流效应要比冬季强烈.     

二维金属凹槽填充各向异性介质时散射的边界元方法:TE情形

由各向异性介质无界空间Green函数和Green恒等式出发，推导了TE波入射时二维任意截面金属凹槽填充各向异性介质时所满足的边界积分方程，并用边界元法和广义网络原理计算了金属凹槽填充各向异性介质时的散射。用文中方法退化计算了凹槽填充各向同性介质时的散射，计算结果与解析结果一致。并给出了凹槽填充各向异性介质时的散射算例。     

粗糙海面与上方多目标瞬态电磁散射混合算法

为了提高时域算法的计算效率,提出了求解一维导体粗糙海面与其上方多目标复合电磁散射的时域混合算法．该算法将时域积分方程与时域基尔霍夫近似算法相结合,多目标散射以及目标之间的耦合散射通过时域积分方程精确求解,粗糙海面瞬态散射采用时域基尔霍夫算法近似求解．考虑到目标与粗糙面之间的耦合作用,建立了求解粗糙海面与其上方多目标复合瞬态散射的矩阵方程．通过与传统时域积分方程方法比较,表明混合算法既能保证数值结果精度,又能大大提高数值计算效率．     

光子晶体光纤中脉冲俘获现象的研究

采用分步的傅立叶方法数值求解了耦合的非线性薛定鄂方程,模拟了双脉冲在光子晶体光纤中的非线性传输和俘获脉冲的产生.发现当泵浦脉冲在反常色散区进行泵浦,而信号脉冲在正常色散区入射,且两脉冲间满足初始群速度匹配或者接近匹配时,才观察到了脉冲俘获现象,其产生机制是随后产生的拉曼孤子脉冲与信号光之间的交叉相位调制作用.此外,也研究了各种入射激光参数对脉冲俘获的影响.当信号光和泵浦光靠近零色散点入射时,俘获效应越明显;当泵浦光的峰值功率增加时,孤子脉冲的红移现象越来越明显,被俘获的信号光成分也将逐渐产生蓝移.     

Finite element analysis for radiative heat transfer in multidimensional participating media

A finite element model is developed to simulate the radiative transfer in 2D and 3D complex-geome-tric enclosure filled with absorbing and scattering media. This model is based on the discrete ordinates method and finite element theory. The finite element formulations and detailed steps of numerical calculation are given. The discrepancy of the results produced by different space and solid angle discretization is also investigated and compared. The effect of the six-node quadric element on the accuracy is analyzed by a 2D rectangular enclosure. These results indicate that the present model can simulate radiative transfer in multidimensional complex-geometric enclosure with participating media effectively and accurately.     

离散格式对辐射换热有限体积法精度的影响

采用有限体积法计算了轴对称圆柱形介质以及立方体简化炉膛内的辐射传输问题,计算结果与离散传递法、蒙特卡洛法的结果相吻合.重点分析了不同网格离散划分方法(FVM1,FVM2和FVM3)对温度场、投射热流、净热流分布等计算精度的影响,同时考察了不同的角度离散格式(天顶角均匀划分法FA1,天顶角余弦均匀划分法FA2和圆周角4n式划分法FA3)与计算精度的关系.结果表明,采用FA3划分方案得到的计算结果较精确,而FA1和FA2方案结果误差较大,因此建议采用FA3方案进行角度离散.     

采用GMM方法分析聚集粒子的辐射特性

采用广义多粒子M ie理论(GMM)研究了由球形微粒组成的聚集粒子的衰减因子、散射因子、散射相函数等辐射特性参数,考虑单元粒子之间的相互作用,与M ie理论计算的辐射特性参数(不考虑单元粒子之间的相互作用)进行分析比较.结果表明:考虑相互作用与不考虑相互作用所得的聚集粒子辐射特性存在着差异,这种差异随着粒子间的距离、尺度参数的变化而改变,并且具有一定的规律.同时,分析了聚集粒子与等效(等体积或等面积)单粒子之间的辐射特性差异对辐射传输计算的影响,研究发现:考虑相互作用的聚集粒子组成的粒子系与等效球粒子系的温度场之间有明显的差异,相对偏差的最大值约20%,因此,在计算聚集粒子组成的粒子系的温度场时不能忽略粒子间的相互作用.     

考虑炉气散射特性的加热炉内辐射换热分析

考虑加热炉内燃烧产物的散射作用,借助辐射换热网络分析法,给出了吸收、发射和散射介质中炉膛系统黑度及辐射换热的基本公式,模拟计算了散射介质中系统黑度的变化.数值模拟结果表明,与忽略介质散射作用的简化描述相比,散射使得系统黑度值降低,炉膛总换热强度减弱.介质的散射作用越强,忽略介质散射导致的误差越大.     

贴体坐标系下复杂形体介质内辐射传递研究

为了解决复杂几何形体介质辐射传递的求解问题，推导了贴体坐标系下有限体积法的计算公式，编制了计算程序，并与射线踪迹法、离散坐标法及其他方法进行了比较，结果表明，该方法计算结果准确．以椭圆柱腔体内辐射传递为例，研究了衰减系数对温度场的影响，衰减系数较小时，随衰减系数的增加，对温度场的影响也增加；考察了各向同性散射及各向异性散射条件下，反照率等对壁面热流的影响，对于各向异性散射，衰减系数较大时，反照率对于壁面热流的影响较大．     

FV520(B)钢叶片激光再制造动态形变规律及试验优化

针对体积损伤压缩机叶片的激光再制造成形形变控制难题,采用有限单元"生死"控制方法,模拟脉冲激光优化工艺下成形过程,获取成形形变动态历程及规律,优化了脉冲激光成形工艺并采用IPG光纤激光再制造系统开展了叶轮激光再制造成形试验.采用Power Scan II型蓝光三维反求测量仪精确测量了再制造成形形变尺寸,验证了有限元分析结论的正确性.试验结果表明:增加首末两成形层之间时间间隔,可控制整体形变在1 mm以内,热影响区形变控制在0.280.50 mm以内,经机械加工后尺寸误差精度不超过0.02 mm,角度误差精度不超过0.03°,验证了脉冲激光工艺的优化性,为叶片类部件再制造成形提供工艺参考.     

Theoretical study on thermal radiative properties of semitransparent porous media

Thermal radiative properties are significant to radiative transfer processes in semitransparent media.In order to calculate thermal radiative properties,conventional Mie formulism and its various abbreviations are generally used,which are based upon electromagnetic scattering by a sphere submerged in a non absorbing medium.For some semitransparent porous media such as ceramics where the matrix is absorbing,the conventional Mie solution is no longer valid.In this study a rigid Mie solution of electromagnetic scattering by a sphere in an absorbing medium is introduced to analyze the radiative properties of such a medium,and reliability of conventional Mie formulism is also tested.Parametric studies show that scattering coefficient and phase function of porous media are influenced significantly by matrix refractive index and size parameter.The matrix absorbing index usually has little influence.But when the absorbing index is greater than 0.01,especially under the condition where the size parameter is greater than 30,the conventional Mie formulism is not appropriate.Such a porous media may exhibit scattering or absorbing dominated characters under different conditions and an optimal pore diameter exists for a specified wavelength,which decreases with the matrix refractive index.     

有限体积法求散射性介质辐射传递及耦合换热

由于对不规则边界适应性强及处理各向异性散射方便等优点，有限体积法近年成为求解复杂几何形状、散射性介质内辐射传递的有力方法之一。利用有限体积法计算了一维各向异性纯散射介质内的辐射传递，其结果与理论解吻合较好。此外，借助该有限体积法模型，计算了吸收、散射性半透明介质内的导热和辐射耦合换热温度场，分析了散射相承数对温度分布的影响，与各向同性散射相比，前向散射使介质低温侧的温度升高，而使介质高温侧的温度降低，而后向散射的作用相反。     

离散坐标法及其在加热炉中的应用

阐述了含吸收散射性介质三维空腔内辐射传递方程的离散坐标解法.讨论了假散射和射线效应对解精度的影响.对三维矩形炉膛内辐射传递过程进行了数值模拟,并与区域法进行了比较.结果表明,离散坐标法具有较好的精度,是辐射传递过程数值模拟的一种较好的方法,并将它应用于加热炉中钢坯的加热,得到了较好的结果.     

漫反射下多层参与性介质内的耦合换热

用控制容积法结合射线踪迹法研究了辐射与对流边界条件下,三层参与性介质复合层内的瞬态耦合换热,吸收、发射性复合层的两侧表面及内部各层间的交界面均为半透明漫反射,采用射线踪迹法建立了一层和二层辐射传递模型;通过跟踪辐射能量,导出三层参与性介质内的辐射传递系数,将辐射源项用辐射传递系数表示,应用Aatankar方法将辐射源项式线性化,采用三对角阵算法求解线性化方程组即可得瞬态温度场,考察了对流换热系数、吸收系数对三层复合层瞬态耦合换热的影响。