基于CUDA并行计算的空中目标红外辐射成像计算

建立了一种包含蒙皮和尾焰的空中目标红外辐射成像GPU并行计算方法。采用SLG模型计算尾焰辐射气体的红外特性,采用LOS方法求解尾焰红外辐射传输方程,根据本体与三维尾焰的成像几何关系,采用正向光线追迹方法计算蒙皮辐射成像,采用反向光线追迹方法计算尾焰辐射成像,建立了目标投影算法,并在蒙皮投影计算模块和尾焰辐射计算模块采用CUDA并行提高计算速度,实现了探测器入瞳处目标红外光谱图像的快速计算。结果表明:投影成像算法可准确生成设定条件下的目标图像,目标红外图像辐射分布与温度分布一致,尾焰辐射强度计算结果与实验结果符合较好,CUDA并行算法可有效提高程序的计算效率,当计算量较大时,蒙皮投影模块的计算加速可达百倍以上。     

临近空间高超声速飞行器红外辐射特性分析

为了对临近空间高超声速飞行器进行有效探测和预警,以X-51A为例,计算火箭助推段、超燃发动机工作段和无动力滑翔段、飞行器蒙皮、喷管和尾焰的双波段红外辐射特性.红外辐射计算的关键在于温度和有效辐射面积的确定.根据修正Lees驻点热流密度方法和辐射平衡时的辐射传热公式,计算出蒙皮的温度.用加力燃烧的涡喷发动机模型近似计算喷管的温度.把导弹尾焰温度分布场模型进行三段式简化,模拟出尾焰的红外辐射特性.仿真结果表明,在X-51A的不同飞行阶段,从不同探测角度观察到的各辐射部位对总体红外辐射贡献率差异较大;速度对蒙皮的红外辐射影响较大,而喷管和尾焰的红外辐射与火箭和超燃冲压发动机的燃烧状态有关.分析指出,当高超声速飞行器飞行姿态发生变化,或者在不同的飞行阶段,更适合采用双波段进行探测.     

反舰导弹红外辐射特性的建模与仿真

研究了以涡喷发动机为动力的反舰导弹的中波红外辐射特性。分别建立了反舰导弹尾喷口、尾焰和蒙皮辐射强度的计算模型,并考虑了尾焰对尾喷口辐射和尾焰辐射的影响。通过MODRTAN软件分析了3～5 μm波段大气红外辐射的衰减特性。最后,将所建模型的理论计算结果与试验结果进行了比较。结果表明,建立的计算模型和方法能较好地模拟不同探测角度下反舰导弹的红外辐射特性。     

无人机红外辐射的数值计算

针对非加力状态下的无人机(UAV),建立了其蒙皮、尾喷口及尾焰辐射的理论计算模型,利用有限元分析方法求解了不同方位角、不同观测仰角的红外辐射计算公式。利用Fluent流场计算软件分析了尾焰的温度场、压力场及其中CO2及H2O组分的浓度场,并在尾焰红外辐射计算中利用分析数据的方法,这种计算较精确。采用工程中实际使用的中波红外和长波红外探测器的探测波段,利用LOWTRAN分析了其在不同观测仰角下的波段透射率。对于某一特定型号的无人机,实验结果证明,相对于8~10μm长波蒙皮辐射而言,中波3.7~4.8μm的蒙皮辐射可以忽略不计。中波的尾喷口及尾焰辐射随观测角度的变化规律与长波类似,在相同观测角度下,中波的尾喷口及尾焰辐射都分别大于长波,其中尾喷口辐射在方位角大于90°的前提下,要大于相同角度下的尾焰辐射。在大气衰减影响下,蒙皮辐射和尾焰红外辐射的最大值均出现在观测仰角45°、方位角90°附近。     

基于Fluent的飞行器流场建模与红外辐射特性分析

以某型战斗机为研究对象,通过三维建模与网格划分过程建立飞机的流场计算模型,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 16.0对飞机的外流场特性进行数值模拟。计算中利用太阳射线追踪算法综合考虑了太阳辐射对机身温度场的影响,采用离散坐标法（DO辐射模型）对辐射传输方程进行耦合迭代计算,利用不带化学反应的组分输运模型（Species Transport Model）模拟燃烧后高温尾焰喷射过程,获得了飞机外流场的温度、浓度及尾流组分分布数据。简要分析了太阳辐射对温度场变化的影响,飞行马赫数对流场红外辐射的影响以及尾焰流场分布情况。分析表明:太阳辐射对蒙皮加热较小,最高升温效果仅为5 K左右,随马赫数的增加飞行器机身背部与腹部红外辐射强度差异明显,最高时腹部辐射强度为机身最大辐射强度2倍左右,激波作用下尾焰后方会出现最高450 K和580 K两个间断的核心高温区域,尾焰红外辐射强度分布符合梨形特征分布趋势。     

火箭发动机喷焰红外辐射数值计算方法研究（特邀）

火箭发动机高温尾喷焰因具有显著的红外辐射特征成为天基红外系统探测、跟踪、分类和识别任务重点关注的对象。火箭发动机喷焰辐射信号产生、传递机制的物理建模和数值计算一直是目标探测领域重点关注的问题,也正朝着高精度、高效率的方向发展。针对火箭发动机喷焰红外辐射数值计算研究,围绕喷焰红外辐射计算链路所涉及的各环节,从喷焰反应流场模拟、高温燃气辐射物性参数计算、辐射传输计算和数理模型校验试验等方面的研究情况展开综述。     

无人机蒙皮红外辐射特征研究

以典型飞翼布局无人机为研究对象,采用流场计算商业软件和自主开发红外计算软件相结合的形式,利用离散传递法计算了全机在8～14 m波段红外辐射强度分布。在红外计算过程中,考虑了发动机固体壁面的发射和反射,飞机蒙皮的发射,燃气内CO2、H2O和CO吸收与发射作用。结果表明:马赫数是影响其8～14 m波段红外辐射特征的重要因素之一;通过冷却、隔热等措施降低后机身发动机热影响区蒙皮的温度或者在机身蒙皮上涂敷低红外发射率材料可以明显降低飞机在8～14 m波段的红外辐射特征,该研究为未来飞行器红外隐身设计提供了参考。     

尾焰红外辐射特性的反向蒙特卡罗法模拟

以发动机尾焰的红外探测为主要应用背景,利用反向蒙特卡罗法计算了液体火箭发动机尾焰红外辐射特性。首先计算了尾焰红外辐射在2.7μm下的轴向分布特性及空间不同角度分布特性,计算结果较为合理。重点计算了尾焰2~5μm的光谱辐射特性,并考虑了大气衰减的影响,与TheAerodyne Radiation Code的计算结果趋势吻合良好。实际探测时,探测器只能接收到尾焰辐射的小部分能量,因此对一定距离下探测器接收辐射进行计算,进而获得尾焰在探测器视场内的红外光谱辐射分布特性,具有重要的理论意义和实际应用前景。     

高空高速无人机尾焰红外辐射特性计算研究

尾焰是高空高速无人机红外辐射源的主要组成部分,为了计算高空高速无人机尾焰的红外辐射特性,首先,利用流体仿真软件Fluent对高空高速无人机尾焰的流场进行了数值模拟,在此基础上,利用同时考虑谱线洛伦兹加宽效应和多普勒加宽效应的单线组谱带模型理论SLG以及机体遮挡理论,计算了高空高速无人机尾焰的红外辐射强度;其次,采用倾斜路径传输等效方法计算了大气对红外辐射的透过率;最后,计算并分析了某型高空高速无人机在发动机不同工作状态以及不同方位角和观察仰角条件下经过大气衰减后的红外辐射强度,同时分析了无人机飞行俯仰角对尾焰红外辐射强度的影响。     

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

本文借助于离散颖粒模型对固体火箭发动机尾焰两相流进行了一体化仿真计算与分析,经过系统分析与计算得出了各燃气组分与Al2O3颗粒流场参数分布的相关性规律。仿真结果分析得知：①在光谱波长1.7um~5.0un范围内,固体火箭发动机尾焰气相辐射最大值出现在2.7um以及4.3um波长下,颗粒辐射仍然是固体火箭发动机尾焰总红外辐射中的主导性因素;②固体火箭发动机尾焰红外辐射性能会在一定程度上受到内燃面颗粒尺寸、颗粒速度分布情况的影响。颗粒速度越大,颗粒尺寸越大,则颗粒红外辐射越弱且辐射降低速度越快。     

飞行器8~14μm波段红外特征的数值研究

在飞行器机身表面的温度场建模中综合考虑了超音速飞行气动加热、发动机舱内部流动换热,以及排气喷流对飞行器后体的传热等影响, 采用数值计算的方法对飞行器8~14m波段的蒙皮及发动机壁面红外辐射特征进行了研究,分析了飞行器机头、机身（含进气道）、机翼、发动机舱（含飞行器后体）、垂直尾翼、水平尾翼和发动机喷管腔体等部位的红外辐射。结果表明:蒙皮辐射是飞行器8~14m波段红外辐射的主要组成部分,发动机壁面红外辐射主要集中在飞行器尾向50范围内;在不同的观测平面,飞行器不同部位对整机8~14m波段的红外辐射贡献比例各有侧重,飞行器机身、机翼、发动机舱和垂直尾翼是飞行器8~14m波段红外辐射的主要部分;飞行马赫数提高将加剧机身气动加热效果,飞行机不同部位所占的红外辐射比例将有所改变。     

飞行器后机身蒙皮红外辐射特性

随着红外探测和红外制导技术的迅猛发展,飞行器的生存力受到越来越大的威胁,如何降低飞行器的红外辐射特征成为提高隐身能力的关键技术之一,排气系统是飞行器后半球的主要红外辐射源。为了研究飞行器后机身蒙皮的红外辐射特性,针对飞行器的后机身蒙皮,结合涡扇发动机引射喷管的CFD计算,采用离散传递法计算了典型作战飞行器在8～14 m波段的红外辐射强度分布。在红外计算过程中,考虑了发动机固体壁面的发射和反射,飞机蒙皮的发射,燃气内CO2、H2O和CO的吸收与发射作用;并通过冷却、隔热等措施降低后机身发动机热影响区蒙皮的温度对红外辐射特征的影响进行了研究。计算结果表明:后机身发动机热影响区温度降低70 K,在红外探测的主要威胁方位头向5范围内可以降低整机红外辐射强度9.1%,30可以降低15.4%,60可以降低17.5%,在正下方90,可以降低18.9%;在此基础上采用低反射率可以在各个方向上进一步降低飞机的红外辐射强度,除了正后向及附近排气系统喷管腔体影响强烈扇区间以外,都能降低到20%以内。计算结果和方法为飞行器红外隐身设计提供了有益参考。     

飞机红外辐射特征仿真研究

真实有效的飞机辐射特征,不仅可以提高导弹的抗干扰能力,还有利于拟定合理有效的防御策略,提高飞机的生存力。基于辐射特征考虑,建立了飞机尾喷口、尾焰、蒙皮以及机体反射的辐射模型;引入大气传输模型,定义了波段平均透过率;通过模型仿真,定性地分析了排气系统(尾喷口、尾焰模型联立)和蒙皮的红外辐射分布规律。将排气系统和蒙皮辐射模型代入大气传输模型之中,分析了飞机红外辐射的高度特性。通过对比仿真与实测结果,验证模型的可靠性。     

固液混合火箭发动机尾焰的红外特性研究

针对固液混合火箭发动机中Al2O3颗粒运动的影响,对喷管的内流场和外流场进行了一体化数值仿真,得到了温度、压力、组分浓度以及粒子浓度等参数的分布。利用以最新的分子光谱数据库HITRAN和HITEMP为基础编写的逐线积分法计算了气体光谱吸收系数,采用米氏散射模型计算了固体粒子的辐射特性参数。利用基于有限体积法离散辐射传输方程的模型计算出了尾焰的红外辐射亮度。通过进一步求解,得到了特定波段的光谱辐射强度。在8—14岬波段,利用红外热像仪进行了试验,并将试验结果与数值计算结果进行了比较。结果表明,该计算模型和方法能较好地模拟固液混合火箭发动机尾焰的红外辐射特性。     

长航时UAV蒙皮红外辐射强度的工程计算

无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）蒙皮的红外辐射特性是对UAV进行探测识别的重要依据,而UAV蒙皮的气动力加热、太阳辐射换热、地球辐射换热等是影响UAV蒙皮辐射特性的主要因素。在综合考虑了环境以及UAV自身辐射的情况下,建立了UAV蒙皮红外辐射的计算模型,采用向前差分法求出了UAV蒙皮的一维导热微分方程,并在此基础上,结合UAV蒙皮材料的发射率,计算了在某一平面上UAV红外辐射强度的分布情况。计算结果表明:蒙皮在8~14 m波段处红外辐射强度远大于3~5 m波段的红外辐射强度;相同波段处,蒙皮正上方的辐射强度大于正下方的辐射强度。     

二元矩形喷管排气系统红外辐射特性

排气系统是飞行器最为主要的红外辐射源,而喷管的形状类型在很大程度上影响着排气系统红外辐射强度的大小及分布。文章建立了二元矩形喷管的三维模型,并在此基础上运用ANSYS软件模拟其排气系统的温度场分布,结合C-G谱带法对其尾流的光谱辐射亮度进行了计算,最后得到了二元矩形喷管排气系统在不同平面上的红外辐射强度分布。结果表明:二元矩形喷管外尾流在宽边探测面上的红外辐射强度要远大于窄边探测面上的;二元矩形喷管高温壁面在宽边探测面上的红外辐射强度要小于窄边探测面上的;二元矩形喷管排气系统在宽边探测面上的红外辐射强度要小于窄边探测面上的。     

战斗机红外点源目标特性计算方法

研究了作为点源目标的战斗机红外辐射特性.将飞机的红外辐射分为排气系统辐射和蒙皮辐射两部分,根据红外辐射相关理论,提出了各自的红外辐射计算方法.在排气系统辐射的计算中,将实测数据、流场计算结果与经验公式相结合,并考虑了尾焰对尾喷口辐射的吸收以及多条尾焰的相互作用.通过计算不同状态、不同波段的战斗机红外辐射,得到了目标辐射随方向、速度、高度、发动机状态的变化规律,并验证了所建计算模型的正确性.     

基于理论解析方法的高真空羽流流动及红外辐射研究

高真空羽流指空间目标上火箭发动机在高真空环境工作时产生的燃气射流迅速膨胀扩散流动状态。这种急剧膨胀的羽流会对空间目标产生冲击、侵蚀,其产生的辐射特性已应用于空间目标的探测、识别。基于无碰撞的自由分子流理论模型对高真空羽流的流场进行了快速预测分析方法研究,获得了高真空羽流的膨胀、扩散分布特性,得到了符合认识的流动规律结果,在计算得到高真空羽流流动参数的基础上,采用佛奥特线型函数描述稀薄气体的展宽,结合逐线积分法+视在光线法计算得到高真空羽流的辐射特性。研究结果表明:高真空羽流的轮廓特性及扩散分布是由喷管出口的点源强度所决定的,点源强度越强,羽流扩散的越厉害,同时轴线上无量纲的密度、温度越高;喷管出口温度相同时,高真空羽流辐射强度随点源增加而增强;出口速度相同时,羽流辐射强度随点源增加而减小;在点源强度相同时,羽流辐射强度与推力正相关。