气体宽带k分布模型及其在远程探测中的应用

计算高温气体辐射特性对尾喷焰的远程探测具有重要意义.引入普朗克函数加权求吸收系数k的几率分布函数,建立了一种新的计算气体辐射特性的宽带k分布模型.从高温气体数据库(HITEMP)读取吸收气体谱线特性参数,计算得到二氧化碳和水汽的k分布吸收系数.用多项式拟合了宽带k分布模型参数,混合气体的k分布吸收系数由单一气体k分布吸收系数直接相加得到.用该模型计算了某尾喷焰红外谱段和可见谱段的远程探测辐射强度,与逐线积分计算作了比较,结果表明:该宽带k分布模型和逐线计算结果的相对误差在7%以内,大大减少了气体辐射特性的计算时间.     

多层隔热材料对卫星红外特性的影响

针对空间目标红外特性研究中,忽略多层隔热材料的影响或将其传热过程等效于绝热稳态过程的不足,考虑多层隔热材料中的实际传热方式,分别建立了卫星表面多层隔热材料中辐射换热、间隔层固体导热和残留气体导热的温度计算模型;根据模型计算分析了卫星表面多层隔热材料中不同传热方式对自身表面温度及3~6 m和6~16 m两个波段红外辐射特性的影响;结果显示多层隔热材料中不同传热方式对卫星长波红外辐射特性的影响大于中波红外辐射特性,文中对于提高空间目标红外辐射特性的计算精度具有参考价值。     

高速飞行目标尾焰红外辐射特性的建模仿真计算

飞行器目标的尾焰红外辐射特性对目标的红外探测、识别和跟踪具有极其重要的作用。为了分析尾焰的红外辐射特性,首先根据经验公式计算出尾焰的流场分布,然后使用窄带模型计算出谱带的光谱吸收系数和透过率;对于非均匀热气体,考虑到碰撞展宽效应和多普勒展宽效应,使用C-G谱带传输模型得到飞行器尾焰2~5 μm的红外辐射分布。最后, 计算了不同组分的尾焰红外辐射特性,分析了组分分布和大气传输对尾焰红外辐射特性的影响,为探测波段的选择提供了参考依据。     

排气红外抑制装置红外辐射场数值仿真

为了准确地评价舰船动力排气红外抑制装置的抑制效果,从气体辐射传输方程和含气体的热空腔的辐射方程出发,采用SLG模型描述气体辐射,在此基础上建立了排气红外抑制装置红外辐射仿真模型.通过模型实验,对排气红外抑制装置仿真模型的计算结果进行了验证,结果显示:仿真模型的预测结果与实验测量结果在3～5μm波段吻合较好,而在8～12μm波段与实验测量结果存在一定偏差.仿真模型并未考虑不完全燃烧产生的碳黑颗粒对气体辐照造成的影响,这可能是造成偏差的主要原因.     

多波段红外点目标的夜视成像差异分析

通过分析在夜视条件下短波红外、中波红外和长波红外点目标辐射成像机理,明确了多波段红外成像的影响因素,建立了短波红外、中波红外和长波红外图像点目标的形成模型,并对模型进行分析与仿真实验,揭示了多波段红外点目标夜视成像特性差异的形成机理,比较了多波段红外点目标成像的差异,并且通过实验图像的差异特征验证了这些成像特性差异的存在性,最后得出了多波段红外点目标图像的灰度值存在差异,大气传输影响存在差异以及夜光辐射影响存在差异的结论。     

基于红外热像波段拓展的多光谱成像研究

红外目标多光谱图像为目标红外辐射特性的研究提供了有效的手段,在目标材质识别、伪装目标辨识和复杂背景抑制等目标探测技术领域有着极为重要的应用。以黑体辐射理论为基础,提出了一种基于波段拓展的红外多光谱成像的方法。首先,利用中波红外热像仪（3～5 μm）采集红外图像,通过目标表面的真实红外辐射反推出热图像中不同像素点的温度值,然后利用普朗克公式可以获得不同像素点在预拓展波段处的辐射出射度数值,最后根据这些数值进行红外多光谱成像。     

F35隐身战斗机红外辐射特性建模

建模研究了F35隐身战斗机的红外辐射特性。根据隐身飞机的结构、材料等数据,建立了隐身飞机和发动机的三维模型。通过流场仿真计算得到飞机机体的温度场,尾焰的温度场、压力场以及气体组分浓度场。利用高温气体数据库HITEMP,建立尾焰的窄谱带辐射模型,计算了尾焰气体沿视线的光谱透过率,获得了尾焰的光谱亮度数据及亮度分布图像。建立了尾喷口和蒙皮的辐射模型,获得了飞机各方位角光谱辐射特性及辐射强度数据,计算结果表明由于发动机推力显著增加隐身战斗机红外辐射特性依然比较明显。最后生成了F35隐身战斗机在中波波段的红外序列图像,可用于红外成像制导武器研制中的数字仿真和半实物仿真。     

利用HITEMP2010 的Malkmus 窄谱带模型参数库构建研究

为精确求解发动机高温燃气红外辐射特性,需要调用描述气体辐射传输特性的谱带参数如光谱吸收系数或光谱透过率,而谱带参数随气体温度、波数变化而变化。首先采用逐线计算方法,比较分析了气体分子谱线参数HITRAN2008和其高温扩展版本HITEMP2010的适用范围;其次,针对逐线计算复杂且效率低的问题,提出了一种基于Malkmus统计窄谱带模型的谱带参数库构建方法并开发了计算程序,在此基础上,分别计算了CO2、H2O的均匀路径单组分光谱特性、非均匀路径单组分光谱特性,还计算了CO2、H2O、N2组合的非均匀路径多组分光谱特性。研究表明:计算结果和试验数据吻合较好,说明所提出的基于HITEMP2010的Malkmus统计窄谱带模型适用于高温燃气辐射传输特性计算。     

固体火箭发动机地面和飞行过程中羽流红外辐射的计算研究

为研究固体火箭发动机地面和高空飞行过程中羽流红外辐射随飞行高度的变化,计算了某型固体火箭发动机在地面试车和7.5~80 km之间一系列高度工况下,发动机内、外流场和红外波段2~6μm的辐射。发动机内流和羽流流场采用非平衡化学冻结模型计算,高温Al2O3颗粒和燃气组分混合的羽流辐射场采用FVM模型计算,其中燃气组分的光谱特性用WSGG模型计算,Al2O3颗粒的光谱特性用Mie理论计算。研究了2.7~2.95μm、3.6~3.85μm和4.2~4.45μm三个波段,羽流高温核心区表面的辐射强度;以及高温核心区在轴向主平面和法平面上,0°、45°和90°三个视角的辐射亮度。研究发现:随飞行高度上升,环境压力下降,羽流体积膨胀,其中高温核心区气相温度迅速下降,Al2O3颗粒浓度也所有下降,但颗粒温度仍比较高。发动机在地面工作时,羽流的强辐射带沿其轴线呈连续状分布;但在高度小于22.5 km的低空飞行时,羽流的强辐射带除了出口区域以外,还在出口下游的后燃区出现。羽流的红外辐射亮度在纵截面上具有轴对称性。在光谱分布方面,发动机飞行高度小于40 km时,羽流辐射呈现燃气辐射的光谱差异性,但发动机在40 km高度以上飞行时,羽流辐射呈现高温颗粒辐射的光谱连续性。     

一体化红外抑制器排气出流对其气动和红外辐射特性的影响

经地面模型实验验证,数值仿真展示了一体化红外抑制器排气出流、模拟旋翼下洗气流和模拟前飞来流相互作用下的流动和换热特征,通过改变排气出流角度和模拟前飞来流速度,计算分析一体化红外抑制器引射、混合特性以及红外辐射强度空间分布的变化规律。仿真结果表明：模拟的前飞来流与排气出流相互作用后会造成局部排气不畅,前飞来流甚至倒灌入红外抑制器内,从而引起抑制器壁面局部高温,增加了抑制器整体红外辐射强度;改变排气角度可将之改善,且存在气动和红外辐射特性兼顾的最佳角度。前飞来流速度从15 m/s提高到55 m/s,抑制器内部高温壁面温度降低,抑制器红外辐射强度峰值在3～5μm波段降低约50%,在8～14μm波段降低约20%。红外抑制器的下洗气流进口加装弯曲导流片可以对内部混合管高温壁面进行遮挡,有效降低顶部视角的红外辐射强度。最佳排气角度下,利用排气下游隔板的遮挡,正对抑制器排气出口方向(底部视角)上的3～5μm和8～14μm波段红外辐射峰值分别降低约50%和33%。     

宽带k分布模型计算液体火箭尾焰辐射信号

快速计算火箭尾焰辐射信号对导弹的识别和跟踪具有重要意义。先利用工程经验公式计算得到尾焰的流场,采用宽带k分布模型计算液体火箭尾焰的辐射信号,并与逐线计算基准解比较,发现宽带k分布模型在探测器工作光谱区域内的相对计算误差基本都小于10 %。利用该模型研究飞行参数对尾焰辐射信号的影响,计算结果表明:喷管出口温度、马赫数、非计算度增大,液体火箭尾焰的辐射强度增大;海拔高度升高,不同探测器工作光谱区域尾焰辐射强度变化趋势有所不同。     

NO 有效带宽的k 分布算法

一氧化氮(NO)是高超声速飞行器流场中重要组分, 对飞行器本体和流场红外辐射传输有重要影响,因此研究NO有效带宽的快速算法很有必要。根据HITEMP 2010数据库,研究了NO在1~15 m红外波段的谱线线强以及吸收系数分布特征,提出了改进的k分布模型,采用高斯数值方法快速求解;此外分析了吸收系数阈值对g-k曲线以及有效带宽的影响,提出了吸收系数阈值的选取方法。实验结果表明:文中方法计算得到的NO有效带宽与与逐线计算方法结果较为吻合,误差不超过5%;与宽带k分布算法相比,该算法计算效率更高,且当选择合适阈值时精度更高。     

模化比对船用排气红外抑制装置红外辐射特性的影响及修正

在两种典型船用燃气轮机敢系统红外抑制装置数值计算和试验测量的基础上,根据相似理论,分析讨论了模化比对气流和壁面温度场分布以及红外辐射强度的影响,根据实物排气红外抑制系统的相应参数和模化比影响的量级,提出了可供选择的修正因子。     

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。     

基于窄谱带模型的尾焰红外辐射计算

尾焰红外辐射的计算是飞行器红外辐射计算的重要环节.在尾焰流场工程计算模型的基础上,从燃烧的化学反应出发,解决了尾喷口处气体组分参数的计算问题,利用基于Malkmus窄谱带模型的C-G近似法得到了尾焰红外辐射的快速计算方法.仿真结果表明,该方法能够快速准确地计算出尾焰的辐射,能为红外制导导弹仿真中飞机目标红外辐射的计算提供有效途径.     

舰船排气羽流红外辐射特性计算研究

舰船动力系统的高温排气羽流是舰船红外辐射的重要来源之一,通过建立基于CFD数值方法的排气羽流流场分布模型和基于窄带模型C-G近似方法的高温排气红外辐射模型,重点研究了合成风速对排气羽流流场和红外辐射的影响。仿真结果表明:合成风速的大小对排气羽流的形状及辐射分布区域影响显著,合成风速增加一倍的情况下,排气羽流在中波红外谱段平均辐射强度降低了48.1%。也对计算模型可能产生偏差的物理因素进行了初步分析,如不完全燃烧产生的碳粒子对羽流红外辐射传输有显著影响。     

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。     

舰船排气系统红外抑制装置的湍流场及温度场分析

采用数值计算方法对舰船排气系统红外抑制装置内的湍流场和温度场进行了研究,针对装置内部具有的耦合的热作用,采用整体求解法,推导了界面上具有耦合传热时的控制体离散方程式,界面上的辐射热流以附加源项的形式出现在离散方程中,给出了引射处速度的确定方法,与相应的实验结果比较表明,本文的数值处理方法及计算结果是可靠的,它是预测舰船排气系统红外辐射场会布的基础。     

某喷气发动机尾焰的中长波红外辐射分析和比较

利用中波红外和长波红外热像仪对某型 喷气飞机发动机尾焰的红外辐射特性进行了测量,得到了3～5 μm 和8～12 μm波段的尾焰辐射亮度分布。结果表明,从飞机 尾向上观测到的中波红外和长波红外尾焰均成对称分布,前者的最高辐射亮 度和尾焰面积分别是后者的4.6倍和2.1倍;从飞机侧向上观测到的 中波红外尾焰的最高辐射亮度、尾焰长度和面积分别是长波红外尾焰 的2.2倍、3.8倍和5.7倍,前者的优势非常明显。另外,受高温尾焰加热的影响,尾 焰周围空气的温度明显上升,使其辐 射亮度高于其他背景的辐射亮度。本文获得的测量结果对尾焰红外辐射特性仿 真和计算研究具有一定的参考价值。     

直升机排气系统红外抑制器的模型实验研究

对直升机排气系统红外抑制器进行了一系列的模型试验研究,旨在分析引射混合和遮挡隔热对降低目标红外辐射特征的作用机制和抑制效果,并对缩比模型的红外辐射相似关系进行探讨．结果表明：(1)引射冷气掺混具有降低排气温度和混合管壁面温度的双重作用,其降温效果在大引射流量比下非常显著;当遮挡间距大干20mm,遮挡隔热可以使遮挡罩壁温接近于环境温度．(2)引射混合对总体红外辐射强度抑制约85％;在此基础上进行隔热遮挡可以再抑制10％．(3)在保持主流速度、温度和压力均相同的条件下,不同缩比模型的辐射亮度基本相当;红外辐射强度基本上与模型的几何模化比平方成正比．