高超声速目标等离子体流场电磁特性数值模拟

摘要

高超声速目标气动流场是成分复杂的电离气体。随着温度升高，电离气体的电离度越来越高。电离度到达某个值后，电离气体宏观上呈现出等离子体才具有的集体行为，我们可以采用等离子体理论对这团电离气体进行研究分析，此时气动绕流场亦称为等离子体包覆流场、高超等离子体或等离子体鞘套。
　　 本文首先采用FDTD(Finite Difference Time Domain)数值方法，结合AUSMPW格式，选择Park双温模型、有限化学反应速率模型，对典型飞行器外形进行了热化学非平衡条件下气动热数值模拟，计算出高超绕流场物理特征量的气动分布。
　　 然后通过绕流场导出气动流场区域等效介电参数分布。气动流场模拟时采用结构化网格，则流场区域等离子介电参数信息全部保存在六面体网格的节点上，而电磁数值模拟时采用非结构化的四面体网格。两套网格信息通过坐标进行映射，为了加快信息传递的效率，采用快速多极子分组的思想，对电磁四面体网格和流场六面体网格进行分组，然后再进行映射，大大地增加映射速度。
　　 最后采用FEBI(Finite Element Boundary Integral Method)方法，对高超目标的电磁特性RCS进行了分析计算。分析比较不同的飞行状态:不同飞行高度、不同的飞行速度下目标RCS的特点。同时，也对涂敷均匀等离子体的贴片天线进行了仿真计算，并且通过强加静磁场的方式将等离子体磁化增强天线辐射性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究方法综述

1．2．1 高超声速流动数值模拟研究现状

1．2．2 电磁场数值模拟研究现状

1．3 本论文内容安排

2 高超声速气动流场数值模拟

2．1 量热完全气体控制方程

2．1．1 微分形式

2．1．2 无量纲形式

2．1．3 坐标变换形式

2．2 高温热化学非平衡流气动热数值模拟

2．2．1 高超热化学非平衡控制方程

2．2．2 热化学非平衡模型

2．3 数值求解方法

2．3．1 CFD差分法实现思想

2．3．2 AUSM类格式

2．3．3 时间步长的计算

2．3．4 边界条件与初值

2．4 计算实例

2．5 本章小结

3．高超等离子体鞘套电磁建模

3．1 电磁波在等离子鞘套中的传播特性

3．1．1 等离子体特性参数

3．1．2 等离子体的等效介电参数

3．1．3 不同飞行状态下等效介电参数分布

3．2 流场/电磁场耦合处理

3．2．1 流场结构化网格生成

3．2．2 电磁场非结构化网格

3．2．3 结构化/非结构化网格信息传递

3．3 本章小结

4 高超等离子体鞘套电磁特性数值计算

4．1 高超等离子体目标电磁特性计算

4．1．1 基本理论

4．1．2 算例

4．2 等离子体覆盖天线辐射性能计算

4．2．1 基本理论

4．2．2 算例

4．3 磁化高超等离子体改善天线辐射性能计算

4．3．1 基本理论

4．3．2 算例

4．4 本章小结

5．总结与展望

5．1 本文的主要工作

5．2 研究工作展望

致谢

参考文献