一种热力学-化学非平衡态的气-固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法、系统、设备及介质技术方案

一种热力学

【技术实现步骤摘要】
一种热力学
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化学非平衡态的气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术属于尾焰光谱辐射的相关计算
，尤其涉及一种热力学
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化学非平衡态的气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]目前，随着航天航空事业的不断发展，人们对高速飞行器探测的要求也在不断的提升，提高针对高超声速目标探测的准确性与有效性是目标预警、探测、识别等领域中关注的重点及难点问题[J.Li,L.Bai,Z.Wu,et al.Ultraviolet scattering properties of alumina particle clusters at three phase states in aircraft plume[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.2017,191,40
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45.]。研究的高超声速飞行器的气
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固耦合的尾焰的光谱辐射特性，这对有效识别高超声速飞行器的推进剂种类、燃烧状态，探测高超声速飞行器的运动特征等相关研究都具有十分重要的理论研究价值及实际战略意义。
[0003]在高超声速飞行器飞行过程中，其推力的来源主要依赖于具有高超声速推进能力的发动机，例如，超燃冲压发动机，发动机内推进剂的燃烧形成巨大的推力，同时将在尾喷管处形成尾喷焰。由于尾焰中携带了大量的丰富的光谱信息特征，因此，通过光谱特征开展针对尾焰的预警、探测及特征识别研究具有非常重要的理论研究价值与战略意义[J.Li,L.Bai,Z.Wu,et al.Scattering properties of alumina particle clusters with different radius of monomers in aerocraft plume[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.2017,202,233
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239.]。
[0004]根据推进剂种类的不同，形成的尾焰特征也具有非常大的差别。液体推进剂产生的尾焰主要特征是纯气相的多种气体组分，而固体推进剂，例如掺杂铝粉作为助燃剂的情况下，其尾焰将表现为气相
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固相的多相态的混合态。尾喷焰中的重要特征是气体或者是气
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固两相流的温度升高，这种温度的升高将动能转化为热能，最重要的结果就是高温带来的一系列的物理和化学的现象。包括如：分子的转动
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振动激发、离解、各种化学反应、分子的碰撞
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辐射，分子电离为离子等复杂的物理
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化学
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热力学过程。由于这些物理及化学现象发展演化所需要的特征时间是不可忽略的，这些与基本粒子的碰撞相关的过程都是热力学和化学非平衡态的。
[0005]现有的尾焰光谱建模研究的方案，主要采用的是针对纯气相组分的光谱辐射传输方程，常用的辐射传输方程(Radiative Transfer Equation,RTE)的求解方法包括：有限体积法、蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method,MCM)、球谐离散坐标方法(Spherical Harmonics Discrete Ordinate Method,SHDOM)或视在光线法(Line OF Sight，LOS)等方法[R.Pincus,K.F.Evans.Computational Cost and Accuracy in Calculating Three
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Dimensional Radiative Transfer:Results for New Implementations of Monte Carlo and SHDOM[J].Journal of the Atmospheric Sciences.2009,66,3131
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3146.]。通过求解
辐射传输方程，从而得到沿着探测视线方向的光谱辐射特征。现有的文献中仅考虑了单纯气相粒子的光谱强度信息的传输及衰减，或将含铝的固体推进剂燃烧生成的气
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固耦合尾焰中的三氧化二铝粒子，近似看作是球形的粒子，通过求解包含球形粒子的气
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固耦合的光谱辐射传输方程，进而得到气
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固耦合尾焰的光谱辐射强度。
[0006]现有的求解气
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固耦合尾焰的光谱辐射模型有以下缺点：1)仅考虑了光谱强度项，而没有考虑偏振的因素在气
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固耦合尾焰光谱辐射建模中的作用；2)简化了非平衡态的过程，忽略了高温气体效应中的分子及原子的碰撞
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辐射效应。这种近似简化了计算过程，但是却无法真正描述气
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固耦合尾焰中的动态非平衡的典型分子的激发态能级布局等情况。3)忽略了气体相与固体粒子相之间的相互耦合作用等。
[0007]综上，现有的气
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固耦合尾焰光谱辐射模型，在技术上的简化和假设通常会带来光谱辐射特征计算结果的较大误差，对气
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固耦合尾焰特征的分析较为粗糙，无法真正描述气
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固耦合尾焰的光谱形成的微观动力学及非平衡的动态的形成机制等情况。

技术实现思路

[0008]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种热力学
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化学非平衡态的气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法、系统、设备及介质，根据气
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固耦合尾焰的典型流场模拟，得到气
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固耦合尾焰中的温度、压强及各个组分的占比；考虑了非平衡态化学反应的影响，增加了气相
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固相耦合作用的相关性，通过建立气
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固耦合的多源矢量光谱辐射传输方程，利用球谐离散坐标方法，建立了气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射模型；通过对该模型的影响因素分析，提升针对气
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固耦合尾焰的光谱辐射特征计算的精准程度，从而显著提高了高超声速飞行器非平衡绕流场中气
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固耦合尾焰的偏振探测的准确性。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种热力学
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化学非平衡态的气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法，具体包括以下步骤：
[0011]1)将高超声速飞行器生成的气
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固耦合尾焰，视作沿着尾喷焰中心轴线方向及沿着垂直于轴线放射性的径向方向轴对称性分布的圆柱形三维非均匀介质的模型，对模型进行三维空间建模；
[0012]2)开展源函数的参数初始化过程，包括：对步骤1)建模后的高超声速飞行器的气...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热力学
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化学非平衡态的气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)将高超声速飞行器生成的气
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固耦合尾焰，视作沿着尾喷焰中心轴线方向及沿着垂直于轴线放射性的径向方向轴对称性分布的圆柱形三维非均匀介质的模型，对模型进行三维空间建模；2)开展源函数的参数初始化过程，包括：对步骤1)建模后的高超声速飞行器的气
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固耦合尾焰的计算域内进行网格剖分，对每个网格节点处的温度、消光系数和化学荧光辐射的源函数赋初值；斯托克斯矢量初始化；利用散射传输矩阵方法，得到尾焰中的三氧化二铝粒子的散射相矩阵，将以上数据依次存储备用，作为气
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固耦合尾焰矢量球谐函数方法中的源函数的初值；3)自适应网格剖分：定义复广义球谐函数矢量，由定义的复广义球谐函数矢量坐标表示步骤2)得到的网格节点处气
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固耦合尾焰的光谱辐射源函数矢量；将第i个网格节点在广义球谐函数矢量坐标下总的源函数矢量转换到离散空间坐标表示；4)在离散空间坐标下，通过沿着离散空间坐标方向对第i个网格点节的源函数矢量进行积分求解得到第i+1网格节点处的斯托克斯矢量；5)对步骤4)得到第i+1网格点处的斯托克斯矢量在离散坐标下将斯托克斯矢量转换到复广义球谐函数表示，在求得复广义球谐函数矢量坐标表示的斯托克斯矢量后，继续求解此网格节点的源函数矢量；6)判断步骤5)计算得到的网格节点是否到达设定尾焰模型的计算区域边界；如果“否”，则重新从步骤3)开始新的网格计算；如果“是”，则结束计算并存储边界网格点上源函数的数据，进而计算出在探测方向与所构建尾焰模型边界的交点处，沿着探测方向的斯托克斯矢量数值。2.根据权利要求1所述的热力学
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化学非平衡态的气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法，其特征在于，所述步骤2)的具体方法为：2.1)根据尾焰流场二维径向分布数据由线性插值方法得到三维尾焰中温度、消光系数、化学发射系数分布；然后对尾焰计算域内进行网格剖分，得到在三维非均匀介质中每个网格节点的物理属性；2.2)根据每个网格节点的气
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固耦合尾焰流场的仿真数据，计算相对应的源函数矢量；将高超声速飞行器的高温气
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固耦合尾焰的偏振辐射特征，看作是高温高压的气
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固耦合尾焰中的光谱辐射源在非均匀的三维介质中的传输结果；具体的气
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固耦合尾焰的矢量源函数的表达式如下：其中，表示为在s位置处，沿着探测方向Ω传输时，总的源函数矢量，
和分别表示热辐射项、化学荧光辐射矢量项和气
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固耦合作用中的尾焰内的粒子散射效应所引起的内源函数矢量项；ω0(s,λ)为气
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固耦合尾焰中的单次散射反照率；为非极化热源项，B
λ
(T
particles
)是绝对黑体辐射的光谱分布表达式，表示为：其中，k
B
为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，λ为波长，T
particle
为粒子的绝对温度，c为光速，表示为高超声速飞行器气
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固耦合尾焰中CO的化学荧光的发射系数，σ(s,Ω)表示为气
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固耦合尾焰的消光系数，Z(s；λ；Ω
′→
Ω)为高超声速飞行器气
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固耦合Al2O3粒子的散射相矩阵；2.3)将球谐离散坐标法(SHDOM)引入到高超声速飞行器气
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固耦合尾焰的偏振紫外波段光谱辐射计算中，在计算化学荧光辐射源的计算中将该辐射源转换为热辐射源，即：其中，上式中T即为改进的SHDOM算法的物性文件中，考虑化学荧光辐射后的新温度，在后续的计算中便考虑了每个网格节点处化学荧光辐射的影响；2.4)斯托克斯矢量(Stokes Vector)的初始化；在对斯托克斯矢量的任一分量值迭代求解之前，求解一维的辐射传输方程：先求解初始化斯托克斯矢量的第一个分量I值，将斯托克斯矢量的其他的偏振分量Q、U和V都设为零。3.根据权利要求2所述的热力学
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化学非平衡态的气
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固耦合尾焰的偏振光谱辐射特性测定方法，其特征在于，所述步骤2.2)气
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固耦合尾焰中的光谱辐射源，包括：高温的含铝推进剂燃烧产生的三氧化二铝粒子的热辐射项、热化学非平衡态中多组分气体之间的碰撞后发生的内能级激发、电离、离解及复合的化学反应项、化学荧光产生的光谱辐射项，以及由于气
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【专利技术属性】
技术研发人员：白璐，李寅，周俊，张立功，郭立新，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：