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热化学非平衡流及其辐射现象的实验和数值计算研究

专 业: 力学、流体力学
关键词: 高超声速 热化学非平衡 辐射 数值模拟 弹道靶实验
分类号: V411.4
形 态: 共 212 页 约 138,860 个字 约 6.642 M内容
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内容摘要


本文工作主要涉及高超声速热化学非平衡流及其辐射特性的实验和数值计算研究.实验研究工作为:1、使用中国空气动力研究与发展中心CARDC再入物理弹道靶设备和脉冲曝光时间5ns的Nd-YAG激光器,进行了高超声速钢球模型激波脱体距离的测量实验.在国内第一次得到了非平衡流无烧蚀激波流场清晰的有限条纹激光干涉照片和阴影照片,测量得到高精度的头部激波脱体距离.测量误差约为5﹪,模型飞行速度5.0~5.5km/s,靶压10~80mmHg.使用了CFD及CFI技术辅助设计和确定实验方案.2、测量了多个状态的高超声速球模型非平衡流场的可见光辐射强度,并对实验技术和方法进行分析研究.测量采用双狭缝式可见光辐射计,中心波长位于绿光波段517.8nm、519.8nm,半宽度为6.6nm.球模型飞行速度为4.8~5.7km/s,靶压10~80mmHg.数值研究工作包括了热化学非平衡流场及其辐射特性的计算.其中,热化学非平衡流数值模拟工作为:1、对热化学非平衡流的物理化学模型进行分析,选择Park双温度模型、Gupta空气11组元化学反应模型及相应的输运模型、振动离解耦合模型、能量交换模型耦合Navier-Stokes方程组求解流动问题.2、对NND格式、Roe格式、AUSM类格式以及相应的数值计算技术包括加速收敛技术、MUSCL插值方法、熵修正技术、源项对角隐式处理等在轴对称、三维热化学非平衡流数值模拟中的应用进行了比较和分析.结果表明,AUSM类格式性能最优,LUSGS隐式处理方法计算效率较高.提出了一种新的熵修正方法,与网格无关并可减少对边界层解的影响.3、编制完成包含上述物理化学模型及数值技术的热化学非平衡流计算程序TCNEQ2D、3D.程序具有良好的结构网格适应性及模块化程度,气动力及热流计算结果与文献吻合,通过了算例考核及实验验证.4、在国内第一次进行了球模型激波脱体距离实验和计算的高精度对比研究,并使用CFI技术进行了全流场的实验验证.采用多种气体模型计算实验状态的球模型激波脱体距离,并采用CFI技术处理为阴影图和有限干涉条纹图,直接与实验照片对比进行流场验证.5、采用TCNEQ3D程序对Apollo飞船返回舱大攻角全流场含底部及近尾流区域进行数值模拟;计算了返回舱气动力系数,并与文献及实验结果进行对比;分析表明,非平衡现象可能是造成返回舱飞行实验数据与风洞实验数据不一致的原因之一……

全文目录


文摘
英文文摘
物理量名称与符号表
图目录
表目录
第一章 绪论
1.1研究背景
1.2研究内容
1.2.1热化学非平衡流
1.2.2高温流场的辐射问题
1.3研究方法
1.4国内外动态与研究的必要性
1.4.1相关的实验研究
1.4.2热化学非平衡流的CFD研究
1.4.3高温气体辐射特性的研究
1.4.4高超声速模型的光辐射信号
1.5本文工作内容介绍
第二章 热化学非平衡流及光辐射信号的弹道靶实验研究
2.1引言
2.2弹道靶设备与基本测量系统
2.2.1弹道靶简介
2.2.2气动物理靶
2.2.3膜片与球模型
2.2.4基本测量系统
2.3阴影照相系统
2.3.1光学测量方法简介
2.3.2阴影照相原理
2.3.3激光光源
2.3.4静态标定
2.4可见光辐射测量系统
2.4.1可见光辐射计
2.4.2滤光片
2.4.3光电倍增管
2.4.4放大器与数采系统
2.5可见光辐射计的标定
2.5.1标定装置
2.5.2标定原理
2.5.3钨带真实温度计算
2.5.4标定结果
2.6实验数据处理与结果分析
2.6.1实验测量手段与状态选定
2.6.2激波脱体距离测量结果
2.6.3可见光辐射测量数据处理
2.6.4可见光辐射测量结果分析
2.6.5辐射测量实验误差来源的定性分析
2.7本章小结

第三章 轴对称热化学非平衡流的数值模拟
3.1引言
3.2高温气体的热化学平衡与非平衡
3.2.1热力学平衡与非平衡
3.2.2热力学温度模型
3.2.3化学平衡与非平衡
3.3轴对称流动的控制方程组及定解条件
3.3.1热化学非平衡流控制方程组
3.3.2完全气体控制方程组
3.3.3平衡流控制方程组
3.3.4控制方程组的定解条件
3.4物理化学模型
3.4.1化学反应动力学模型
3.4.2振动—离解耦合模型
3.4.3能量交换机制松弛过程
3.4.4热力学关系式
3.4.5输运模型
3.5数值离散和插值
3.5.1坐标变换
3.5.2半离散方程
3.5.3 Roe平均
3.5.4 MUSCL插值
3.6差分格式
3.6.1 NND格式
3.6.2 Roe格式
3.6.3 AUSM+格式
3.6.4 AUSMPW格式
3.6.5 AUSMPW+格式
3.6.6 AUSM类格式中的临界声速
3.7隐式处理方法
3.7.1源项的隐式处理
3.7.2 LU-SGS方法
3.8计算结果与分析
3.8.1计算程序及格式的检验
3.8.2激波脱体距离的计算和比较
3.8.3辐射实验的热化学非平衡流场计算
3.9本章小结
图1
图2
第四章 三维热化学非平衡流的数值模拟
4.1引言
4.2控制方程
4.2.1直角坐标系x,y,z下的NS方程
4.2.2计算坐标系ξ,η,ξ下的NS方程
4.3计算方法
4.3.1控制方程的差分离散
4.3.2隐式处理方法
4.3.3熵修正方法
4.3.4边界条件与初值条件
4.4计算结果与分析
4.4.1圆球算例
4.4.2 Apollo返回舱算例与分析
4.5本章小结

第五章 热化学非平衡气体辐射特性的计算
5.1热空气辐射机制简介
5.1.1辐射机制的分类
5.1.2热力学平衡态与非平衡态的辐射
5.1.3热空气的辐射特性
5.2连续谱辐射机制
5.2.1自由—自由跃迁
5.2.2束缚—自由跃迁
5.3原子线谱辐射机制束缚—束缚跃迁
5.3.1束缚—束缚跃迁的辐射发射本领
5.3.2加宽机制及半宽度计算
5.3.3束缚—束缚跃迁的谱发射系数
5.4热力非平衡条件下发射系数和吸收系数的联系
5.5分子带谱辐射机制
5.5.1 双原子分子的能级
5.5.2分子光谱的结构
5.5.3转动谱线的总发射强度计算
5.5.4转动谱线的频率分布
5.6热力非平衡时的粒子分布
5.6.1不同电子能级上的粒子分布
5.6.2分子在不同电子、振动和转动能级上的分布
5.7本章小结
第六章 弹道靶球模型流场光辐射信号的数值计算
6.1引言
6.2辐射输运方程及求解
6.2.1辐射输运方程
6.2.2辐射输运方程的解
6.3计算网格与辐射数据重构
6.3.1辐射计算网格
6.3.2网格单元CF的搜索方法
6.3.3插值算法
6.4模型流场辐射强度的计算方法
6.4.1面辐射源的辐射强度
6.4.2阴影区Umbra和半阴影区Penumbra
6.4.3辐射强度时间历程
6.5球模型本体辐射估算
6.5.1表面温度计算
6.5.2本体辐射计算
6.6计算结果与分析
6.6.1气体帽光谱辐射强度
6.6.2模型本体光谱辐射强度
6.6.3窄带通总光谱辐射强度
6.6.4宽带通辐射强度
6.7本章小结

第七章 总结与展望
7.1论文的主要研究内容
7.1.1弹道靶实验
7.1.2热化学非平衡流数值模拟
7.1.3高温气体非平衡辐射特性计算
7.1.4球模型三维流场光辐射信号数值计算
7.2论文特点与创新
7.3未来工作展望
参考文献
附录A 钨的光谱发射率表
附录B 参考量及无量纲化
附录C 空气化学反应模型与组元常用数表
附录D 一些重要分子跃迁的光谱学常数

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中图分类: > V411.4 > 航空、航天 > 航天(宇宙航行) > 基础理论及试验 > 空气动力学

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