高速飞行器头罩湍流流场的气动光学效应分析

发布时间：2017-08-04 23:15

  本文关键词：高速飞行器头罩湍流流场的气动光学效应分析

  更多相关文章： 气动光学 湍流 计算流体力学 二方程模型 光学传递函数 斯特列尔比

【摘要】：在制导领域中,由于飞行器的飞行速度大幅度提升,随之而来的高速流场会产生严重的气动光学效应,导致目标图像偏移、模糊和抖动等现象,从而大大影响制导精度以及成像质量。而高科技精确打击武器对于目标追踪的精度要求越来越高,因此对于高速飞行器周围湍流流场的运动机理研究以及对流场中光传输特性研究的需求越来越迫切。本文首先介绍了高速流场中气动光学效应的研究背景及意义,回顾了气动光学效应在理论及实验模拟上的研究发展历程,并对前人的工作进行了相应的总结。研究了高速以及超高音速流场的运动机理,分析了大涡模拟和雷诺平均两种主要的流场数值模拟方法,采用k-ε以及k-ω计算模型基于混合算法推导出了剪切压力传输模型,即k-ω修正二方程模型。采用ICEM建模软件建立了三维导弹及机载凸台模型,基于离散控制方程及定解条件的设置,使用Fluent求解器对不同速度下导弹和凸台周围的流场进行了数值模拟及结果分析。基于光传输理论推导了几种不同的气动光学评价指标的计算方法,并采用光线追迹及统计光学的研究方法对时间平均流场和湍流随机脉动流场的气动光学效应进行了分析。采用Gladstone-Dale定律将流场数值模拟的结果转化为光学参数,基于Mathematica数值计算工具分析了光束沿不同角度穿过不同速度下的流场后产生的波面畸变和斯特列尔比,采用光学传递函数分析了高斯光束经过2倍音速下凸台光学窗口周围混合流场时光斑的畸变情况,发现光斑的光强明显削弱并伴随微小偏移,并且光场不再满足高斯分布。
【关键词】：气动光学 湍流 计算流体力学 二方程模型 光学传递函数 斯特列尔比
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V219
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 气动光学的研究进展10-14
• 1.2.1 气动光学理论的研究进程10-12
• 1.2.2 实验及数值模拟上的进展12-14
• 1.3 国内研究现状14-15
• 1.4 论文主要研究内容及论文组织架构15-17
• 2 高速非均匀流场的机理研究17-28
• 2.1 流体运动基本理论17-20
• 2.2 非均匀流场的计算方法20-25
• 2.2.1 流场的大涡模拟方法20-22
• 2.2.2 流场的雷诺平均模拟方法以及k-ω SST修正模型22-25
• 2.3 高超音速流场特征25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 高速流场的数值计算及模拟28-40
• 3.1 流场方程的计算28-31
• 3.1.1 求解条件的设置28-30
• 3.1.2 求解方程的离散30-31
• 3.2 飞行器及凸台周围流场基于k-ω计算模型的模拟31-39
• 3.2.1 导弹ICEM建模及基于Fluent的周围流场模拟33-36
• 3.2.2 机载凸台的ICEM模型建立及周围流场分析36-39
• 3.3 本章小结39-40
• 4 非均匀流场中的光传输特性研究40-55
• 4.1 光线追迹理论及方法41-44
• 4.1.1 光线传输理论及基本方程41-43
• 4.1.2 光程差及偏折角理论43-44
• 4.2 流场引起的光学畸变分析44-50
• 4.2.1 基于衍射理论的像差分析44-48
• 4.2.2 气动光学的评价方法与评价指标48-50
• 4.3 高速流场中的气动光学计算分析50-54
• 4.3.1 平均流场的光传输计算51-53
• 4.3.2 湍流流场的光传输计算53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 光传输特性的模拟及计算55-67
• 5.1 流场密度到折射率的转换及计算55-56
• 5.2 光束的数学表达及衍射分析56-58
• 5.2.1 基模高斯光束的传输特性56-58
• 5.2.2 光波衍射的数值计算58
• 5.3 凸台光学窗口周围流场引起的光束畸变分析58-66
• 5.3.1 基于CFD网格的波面畸变计算59-62
• 5.3.2 基于斯特列尔比及光传递函数的光束质量分析62-66
• 5.4 本章小结66-67
• 6 结论及展望67-69
• 6.1 本文总结67-68
• 6.2 对未来工作的展望68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-75
• 附录75

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本文编号：622196