高速飞机红外成像过程的数值模拟与特性分析.pdf

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1、高速飞机红外成像过程的数值模拟与特性分析NUMERICALSIMULATIONONINFRAREDIMAGEINGOFHIGHSPEEDAEROCRAFT孙海锋哈尔滨工业大学2018年2月国内图书分类号：TK123学校代码：10213国际图书分类号：621.1.016.7密级：公开工学博士学位论文高速飞机红外成像过程的数值模拟与特性分析博士研究生：孙海锋导师：夏新林教授申请学位：工学博士学科：工程热物理所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年2月28日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK123U.D.C.:621.1.016.7Dissertationf

2、ortheDoctoralDegreeinEngineeringNUMERICALSIMULATIONONINFRAREDIMAGEINGOFHIGHSPEEDAEROCRAFTCandidate：SunHai-FengSupervisor：Prof.XiaXin-LinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringThermophysicsSchoolofEnergyScienceandAffiliation：EngineeringDateofDefence：February28,2018Degree-

3、Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要高速飞机的红外热成像特征，是其战场生存能力的重要评价指标之一，不仅是飞机红外隐身与探测制导技术发展的前提，而且对作战模式有重要影响。由于飞机外形结构复杂、体积大，而且其红外辐射受高速气动、蒙皮耦合传热及辐射特性等众多因素影响，目前对高速飞机红外热像的产生和传输机制认识尚不完善，缺乏有效的实验研究手段。因此，通过数值模拟方法，研究红外辐射的产生与热像传输，是目前获取高速飞机红外成像特性的主要手段。本文以建立高速飞机红外热像的产生和传输分析的高效数值方法、认识其红外特性及影响因素为目标，

4、开展研究。首先，针对红外辐射计算的蒙特卡罗方法在应用于飞机等复杂形体计算中存在计算量巨大的缺点，研究高效适用的的辐射传输计算方法，通过研究蒙特卡罗法计算辐射传输的抽样模式和统计误差特性，构造了双向加权蒙特卡罗方法。推导了双向加权蒙特卡罗法与正向、反向蒙特卡罗法以及文献中的优化蒙特卡罗法的标准差表达式，对相同抽样光束数量下（计算量相同）的四种蒙特卡罗法的计算结果，进行了多算例的标准差分析，验证了双向加权蒙特卡罗法求解辐射传输的优越性。考虑飞机尾喷焰红外辐射及红外热像大气传输中CO2、H2O蒸汽等介质对光谱衰减的影响，以及飞机耦合传热计算中热辐射与气动对流传热传质计算的耦合性，进行了复杂形状介

5、质辐射计算方法研究。将蒙特卡罗法处理辐射光谱的随机抽样优势与有限体积法处理空间位置和角度分辨的高效性相结合，并将其与非结构化网格技术融合，发展了一种非结构有限体积和蒙特卡罗混合算法。通过算例分析，验证了该方法的可靠性及对复杂几何型体的适应性。飞机的温度场分布是其红外辐射产生的根源，进行高速飞机的红外辐射热像仿真，必须基于准确的机身温度场分布数据。本文通过对高速飞机飞行过程中的气动对流与蒙皮内外瞬态耦合传热的机理分析，提出了高速气动对流与蒙皮耦合传热求解的解耦计算方法，实现了大型复杂结构飞机在高速流下的流固瞬态耦合传热计算，并通过翼型的风洞试验数据验证了该计算方法的可靠性。为准确获取高速飞机

6、机身温度场，提供了计算方法。在上述红外辐射与温度场计算方法研究基础上，进一步分析高速飞机红外成像探测过程的辐射传输机制，考虑红外辐射成像中的光学系统效应，提出了高速飞机红外成像的模拟计算方法。同时采用了两种处理方式，来处理飞机的-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文等效辐射在红外光学系统中的聚集成像过程：即先计算飞机表面的等效辐射，再计算等效辐射在光学系统中汇聚成像的方法和将成像过程和飞机红外辐射的传输计算一体化计算的反向蒙特卡罗法。在反向蒙特卡罗法中，引入对随机光束进行光谱抽样的方法，实现了飞机非灰体隐身涂层表面红外成像的模拟计算。基于本文所建立的高速飞机红外热像数值仿真方法，开发了计算程

7、序。以三代机标准模型SDM为对象，对其在在高速飞行状态下的温度场和红外热像探测过程进行了数值仿真和分析。并对某飞机的尾喷焰的温度场、浓度场及红外热像进行了模拟分析。通过本文研究，发展了适用于大型复杂型体红外辐射分析的双向加权蒙特卡罗方法、与高速气动对流传热传质非结构网格相匹配的辐射传热非结构有限体积和蒙特卡罗混合法、高速飞机蒙皮瞬态耦合传热分析的解耦算法。这些方法，连同高速飞机红外辐射汇聚成像过程的模拟计算方法，能够对高