基于矫正函数的高速飞行器喷焰红外辐射特性计算方法

摘要

本发明涉及一种基于矫正函数的高速飞行器喷焰红外辐射特性计算方法，以解决现有辐射特性计算方法不适用于高速飞行器喷焰辐射特性的计算，而导致在非均匀的流场内，等效半宽对介质热力学状态的依赖性增强的技术问题。该方法包括：1)计算高速飞行器喷焰流场参数分布；2)将参考温度T

说明书

技术领域

本发明涉及辐射特性计算方法，具体涉及一种基于矫正函数的高速飞行器喷焰红外辐射特性计算方法。

背景技术

高速飞行器喷焰，是一种由推进剂在燃烧室内燃烧后经喷嘴排出的高温、高压、多组分的富燃料自由射流，该射流与周围环境空气掺混后容易发生复燃反应。这种现象导致了喷焰中的多组分高温气体在多个谱带内发射强烈的辐射信号，该辐射信号已经被视为天基红外预警系统探测的主要信号源。通过飞行遥测实验测量喷焰辐射，虽然能获取最真实的数据，但实验成本较高，大量的、系统的实验测量是极其困难的。因此，迫切需要开发一种精确的喷焰辐射特性计算方法，实现在各种复杂的工况下精确计算喷焰辐射。

喷焰流场具有强烈的非均匀性，其温度、压强和浓度等特性的分布均具有强烈的梯度差。通过对固定方向上非均匀路径的谱线强度和半宽进行平均得到等效线强和等效半宽参数，将非均匀路径视为均匀路径，随后进行辐射传输计算，已经广泛应用于大气辐射传输的计算。然而喷焰的热力学状态与大气环境完全不同，具有高温、高压和强梯度差的特点。这种现象会导致平均半宽度对介质热力学状态(温度和总压)的依赖性更强，特别是在非均匀的高温高压流场中。

发明内容

本发明目的在于解决现有辐射特性计算方法不适用与高温、高压和强梯度差的高速飞行器喷焰辐射特性的计算，从而导致在非均匀的流场内，等效半宽对介质热力学状态的依赖性增强的技术问题，提出一种基于矫正函数的高速飞行器喷焰红外辐射特性计算方法，通过引入一个与非均匀喷焰热力学状态相关的矫正函数，对等效半宽进行矫正，将校正后的等效半宽应用于喷焰辐射特性的计算中，建立了一种精确的高速飞行器喷焰红外辐射计算模型，进而提高预警系统工作中威胁目标本体辐射信号的计算精度。

本发明的技术方案为：

一种基于矫正函数的高速飞行器喷焰红外辐射特性计算方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、采用计算流体力学的方法计算高速飞行器喷焰的流场参数分布；所述流场参数包括温度T、压强P和气体浓度X

S2、根据流场参数，将参考温度T

S3、根据高温和高压环境下气体谱线参数S

S4、根据流场参数和统计窄谱带参数，计算高速飞行器喷焰非均匀路径的等效窄谱带参数；所述等效窄谱带参数包括等效半宽

S5、根据等效窄谱带参数，计算矫正函数ξ(x

其中，x

S6、根据矫正函数对等效半宽

S7、根据等效吸收系数

S8、将窄谱带辐射透过率，输入无散射辐射传输方程中求解，得到高速飞行器喷焰红外辐射信号。

进一步地，步骤S2中，高温和高压环境下气体谱线参数的计算公式如下，

其中，Q为配分函数，c

进一步地，步骤S3中，计算高速飞行器喷焰组分的统计窄谱带参数的公式如下，

其中，Δη为窄谱带，N为窄谱带内的谱线数量；

进一步地，步骤S4中，计算高速飞行器喷焰非均匀路径的等效窄谱带参数的公式如下，

其中，s为喷焰的位置坐标；u为高温气体吸收量，

进一步地，步骤S5中，气体谱带吸收参数的具体计算公式为，

进一步地，步骤S6中，根据矫正函数对等效半宽

进一步地，步骤S7中，求解喷焰非均匀介质的窄谱带辐射透过率，公式如下，

对于混合气体，其窄谱带辐射透过率可由各辐射气体的窄谱带辐射透过率直接相乘得到：

进一步地，步骤S8中，将窄谱带辐射透过率，输入无散射辐射传输方程中求解具体为，

其中，

本发明的有益效果：

1、本发明通过引入与非均匀路径热力学状态相关的矫正系数，对非均匀路径等效半宽进行修正，在保持良好精度的同时，大大降低了对光学中间体吸收的高估。

2、本发明将改进后的等效半宽用于计算喷焰辐射特性，随后进行辐射传输方程的求解，获得了更精确的喷焰辐射特性，对天基红外预警工作的开展具有重要意义。

附图说明

图1为本发明基于矫正函数的高速飞行器喷焰红外辐射特性计算方法的实施例流程图；

图2为本发明实施例中CO

图3为本发明实施例中CO

图4为本发明实施例中H

图5为本发明实施例中H

图6为本发明实施例中BEM-2喷焰实验光谱与本方法计算的对比；

图7为本发明实施例中BEM-2喷焰实验谱带积分与本方法的对比；

图8为本发明实施例中BEM-2发动机流体计算域示意图；

图9为本发明实施例中BEM-2发动机计算网格剖分示意图；

图10为本发明实施例中发动机喷焰BEM-2红外辐射测量结果示意图；

图11为实验方式红外辐射测量结果示意图。

具体实施方式

本实施例实验选取带有实验测量数据的弹道评估发动机(BEM-2)作为数值实验平台，该实验采用红外相机和光谱仪测量得到了发动机喷焰谱带辐射图像和光谱辐射强度；其中，BEM-2发动机喷嘴出口直径为22.5mm，喷嘴发散角为15°，喷嘴出口与喉部的面积比为2.25，喷嘴出口参数参见表1；使用的仿真软件为Ansys下的Fluent软件，采用的是ICEM建模与网格的剖分；参见图8，BEM-2发动机的流体计算域和尺寸结构，参见图9，BEM-2发动机的计算网格。

表1 BEM-2发动机喷嘴出口参数

参见图1，本实施例提供一种基于矫正函数的高速飞行器喷焰红外辐射特性计算方法，该方法采用了一个与气体热力学状态相关的半宽变量策略，即CO

具体包括以下步骤：

S1、采用计算流体力学的方法计算高速飞行器喷焰的流场参数分布，所述流场参数包括温度T、压强P和气体浓度X

S2、根据步骤S1的流场参数，根据高温谱线数据库HIEMP或CDSD中的气体谱线参数数据，将参考温度T

S为路径s处的谱线强度：

其中，Q为配分函数，c

S3、根据步骤S2的高温和高压环境下气体谱线参数S

其中，Δη为窄谱带，N为窄谱带内的谱线数量；

S4、根据步骤S1的流场参数和步骤S3的统计窄谱带参数，计算高速飞行器喷焰非均匀路径的等效窄谱带参数，

其中，s为喷焰的位置坐标；u为高温气体吸收量，

S5、根据步骤S4中的等效窄谱带参数，计算矫正函数，公式如下，

其中x

S6、按照步骤S5的矫正函数对步骤4中的等效半宽

得到矫正后的等效半宽

S7、根据步骤S4的等效吸收系数

对于混合气体，其窄谱带辐射透过率可由各辐射气体的窄谱带辐射透过率直接相乘得到：

S8、将步骤7的窄谱带辐射透过率，输入无散射辐射传输方程中求解，公式如下：

得到高速飞行器喷焰红外辐射信号；其中，

参见图2-图5，根据高温气体等效宽度随虚构气柱x

参见图6-和图7，采用本发明方法和传统的Curtis-Godson近似计算的小型弹道评估发动机喷焰红外辐射与实验测量结果的对比；从图中可以看出，本发明方法计算结果更贴近测量结果，数据更加准确。参见图6，将本实施例方法计算结果与传统方法的计算结果及实验结果的红外光谱辐射强度进行对比，可以看出，本实施例方法和传统方法的计算结果与实验数据吻合较好，但本发明计算结果更贴合实验。参见图7，发动机喷焰红外预警过程中感兴趣的谱带积分强度值，在这些波段中，本发明计算结果与实验测量结果的更加吻合。

参见图10和图11，本发明方法计算的弹道评估发动机喷焰BEM-2红外辐射与实验测量结果的对比，带宽为4.38～4.52μm；结果表明，在辐射图像中捕获的马赫环的数量和对应的位置与实验测量值吻合较好。

以上为本发明在此领域的优势，但并非对本发明在使用领域有所限制，依据本发明的技术本质对上所作的任何简单修改、变化与修饰或是单纯的领域替换，均仍属于本发明技术方案的范围内。