含源项双曲守恒方程的保平衡HLL格式

针对含源项的双曲守恒方程给出了一种新的有限体积格式.经典的有限体积格式不能正确地模拟对流通量项和外力之间的平衡所产生的动力学问题.为解决这个问题,仿照经典的HLL近似Riemann求解器设计思路设计了含源项的近似Riemann求解器.针对含重力源项的一维流体Euler方程和理想磁流体方程,通过对通量计算格式的修正得到了保平衡HLL格式(WB-HLL),并给出了保平衡的证明.针对一维Euler方程和理想磁流体给出了两个算例,比较了传统HLL格式和提出的WB-HLL格式的计算精度.计算结果表明,WB-HLL格式精度更高,收敛更快.

高速目标激光辐照温升效应仿真研究

为了研究目标高速运动情况下,高速气流对流换热对激光辐照效应的影响,通过编制了高速目标激光辐照温升效应仿真程序。考虑了对流换热因素和材料参数随温度的变化。为了保证仿真结果的可信性,从理论和实验两方面对仿真模型的算法和参数进行了验证。仿真计算结果表明,对流换热在一定程度上减弱了激光辐照下材料的温升效应,但针对激光辐照下的其它效应,对流换热的影响程度与具体应用有关。

激光武器靶面强度参数评估方法

通过对不同应用情况下激光武器靶面强度参数定义及其影响因素的分析,建立了激光武器靶面强度参数评估模型。针对评估模型中的大气传输模型、靶面光斑形状分析、靶面长曝光功率密度、靶面瞬时功率密度概率分布等问题进行了详细的讨论,并给出了相应的计算方法和实验数据分析方法。初步提出了使用蒙特卡洛方法来解决评估模型中评估参数的随机性问题,并对评估参数统计分布的获取进行了简要说明。

高温气体中的激光击穿效应

通过对电子能量分布函数所满足的 Boltzmann方程的求解 ,得到了高温氧原子气体中激光产生电离击穿效应时的束流强度阈值。这一阈值远小于在低温氧分子气体中产生电离击穿的阈值 ,最多可相差两个数量级。导致这一现象出现的主要原因是原子和分子的能级分布和激发自由度有很大的差别。

靶斑仪尺寸对激光光束质量评估的影响分析

针对不同类型的激光光斑,系统分析了靶斑仪尺寸对激光远场光束质量评估结果的影响,提出根据光束质量评估需求确定靶斑仪尺寸的思路。分析结果表明,如果靶斑仪尺寸大于真实光斑直径的1.8倍,则靶斑仪尺寸导致的光束质量偏差小于10%。

强电磁脉冲(激光、微波)在高温离解氮气中的击穿效应

通过对电子能量分布函数所满足的 Boltzmann方程的求解 ,在理论上分析了强电磁脉冲 (激光、微波 )在高温氮气中的击穿效应。高温气体的一个主要特征是其中的部分气体分子会离解为原子 ,这一离解效应会对强电磁脉冲在气体中发生电离击穿的阈值产生影响。计算表明 :随着温度的升高 ,氮分子的离解度增大 ,强电磁脉冲的击穿阈值下降 ;击穿阈值的下降幅度与电磁波的频率有关 ,对频率较高的红外激光 ,击穿阈值下降明显 ;而对微波 ,击穿阈值所受影响较小。

新概念武器性能指标评定方法

针对新概念武器鉴定定型试验前武器性能参数统计分布不能确定所带来的困难,提出了验前评定和验后评定相结合的指标评定方法.在验前评定中,不需要参数统计分布信息而直接采用成败模型的评定方法,从而可以为试验大纲中确定试验次数提供依据;在验后评定中,通过对数据具体统计特性的分析,可以得到高置信度的评定结论,从而为武器效能评估提供依据.

不同气流环境下激光辐照金属材料温升的数值模拟

研究了激光辐照金属材料过程中的氧化放热模型,采用有限元方法编制了计算程序,数值计算了激光辐照钢板在吹空气、吹氮气以及不吹气条件下温升的时空分布,分析了氧化放热量的大小。数值计算结果表明:吹氮气和不吹气条件下,钢板背表面温升的差异不大;在吹空气条件下,氧化放热量约占钢板中沉积能量的34.6%。数值计算结果与文献报道的实验结果符合得很好。

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明:考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明:热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。

切向气流对激光加热金属板非熔化穿孔效应的影响

针对切向气流加载导致激光加热金属板在熔化前的穿孔效应,利用金属薄板的弹性弯曲理论,推导出了两种典型光束(方形和圆形)照射下的弯曲挠度表达式,利用Mises理论给出了非熔化穿孔的破坏判据。研究结果表明:激光加热下材料强度降低是出现非熔化穿孔破坏的主要机理;薄板在光斑区的最大变形与气流速度、光斑直径、板厚与弹性模量(U2a4/Eh3)相关,穿孔破坏温度与气流速度、光斑直径及板厚(Ua/h)2相关;与方形光斑辐照相比,圆形光斑辐照的破坏阈值稍高一些。数值计算结果表明:0.8 Ma切向气流作用下,铝合金壳体的激光破坏能量阈值大大降低(可达40%～50%),典型不锈钢壳体的破坏阈值降低相对较小(20%左右),气流作用导致金属板破坏阈值的下降是需特别关注的问题。

金属材料表面激光耦合系数的反演

为了能通过背光面温度测量获得材料激光耦合系数,从傅里叶热传导方程出发,在一定的近似条件下推导出了不透明金属材料的表面激光耦合系数与背光面温升的关系表达式,给出了工程反演算法。采用两种不同的方法对反演算法进行了验证:一是用反演算法计算30CrMnSiA材料的1.3μm激光耦合系数,与文献报道的实验测量值进行比较;另外是实验测量4 mm-30CrMnSi钢板的背光面温升,反演得到1.3μm激光耦合系数随辐照时间和温度的变化,然后数值计算背光面温升并与原始实验测量结果进行比较。验证结果表明,借助于背光面测温反演激光耦合系数的方法可行,精度可以满足激光辐照效应研究的要求。

激光大气传输热晕与光束抖动综合效应的数值模拟

研究了激光大气传输中热晕与光束抖动综合效应的数值模拟方法。一般情况下采用统计方法模拟光束抖动,当光束抖动频率远小于或远大于热晕特征频率时,用卷积的方法计算热晕与光束抖动综合作用下的光束远场光斑的光强分布。为了检验数值模拟方法的正确性,针对聚焦Gauss光束,计算了热晕与光束抖动综合作用下,焦平面上的光强分布。计算结果与经验公式的计算结果符合得很好,验证了数值模拟方法的正确性。

亚声速球/柱尾流对激光传输影响的数值模拟

采用大涡模拟方法计算了来流速度为0.4 Ma情况下球/柱形结构附近的流场,根据密度数据计算了光程差及气动相屏,并研究了尾流对激光传输的影响。结果表明:光程差空间均方根的时间平均值随发射角增大而增大,发射角从120°增加到148°时,其数值从0.11μm增加到0.28μm;光程差空间均方根随时间变化剧烈,发射角为148°时,其时间均方根可达0.04μm;球/柱尾流对激光传输有很大影响,发射角为148°情况下,Strehl比的时间平均值为0.33,并且Strehl比的时间平均值随发射角的增大而减小,发射角从120°增加到148°过程中,Strehl比的时间平均值减小了59%;Strehl比随时间变化剧烈,其时间均方根大于0.05。

基于相关波前探测算法校正热晕的数值模拟

建立了采用相关波前探测算法(Correlation wave-front sensing algorithm,COR)的自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统的数值模型,对准直光束大气传输自适应光学校正进行了数值模拟,分析了不同热晕强度条件下光子噪声和读出噪声对系统校正效果的影响,并与质心(Center of Gravity,COG)算法和阈值质心(Threshold Center of Gravity,TCOG)算法进行了对比。数值模拟结果表明,COR算法对噪声和热晕强度的变化具有更好的鲁棒性,可以提高夏克-哈特曼波前探测器(ShackHartmann Wave-front Sensor,SH-WFS)在低信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)条件下的波前探测精度,同时还可以较好地抑制噪声诱发的相位补偿不稳定性(Phase Compensation Instability,PCI),改善低信噪比条件下大气热晕校正的稳定性。

高能激光武器系统效能评估方法

介绍了武器系统效能的概念和一般分析过程,在分析高能激光武器系统效能评估要素的基础上,以WSEIAC提出的效能分析ADC模型为基本框架,建立了系统效能的综合评价模型.同时,从作战角度出发,对模型中的可用性矩阵、可信性矩阵和能力矩阵进行了概念性的研究.

大气湍流位相畸变自适应光学校正的数值分析

实现了自适应光学系统校正激光大气湍流位相畸变的数值模拟,研究了自适应光学系统的校正效率随湍流强度的变化规律以及横向风速对自适应光学校正效果的影响。结果表明,自适应光学系统能够校正湍流造成的激光波前位相畸变,提高靶面激光峰值功率密度,降低靶面激光强度起伏。湍流强度对于自适应光学系统的校正效率有比较大的影响,湍流强度较弱和较强,自适应光学系统的校正效率均不高;只有中等强度的湍流,校正效率最高。此外,横向风速对于自适应光学系统的校正效果也有比较大的影响,随着横向风速的增大,自适应光学系统的校正效果不断变差。

一种通用的含热阻温度场计算方法

针对含热阻温度场的计算问题,提出了一种通用的有限元求解方法。由于含热阻界面热流密度表达式具有对流换热的形式,该方法将热阻条件视为第三类边界条件。推导了热阻条件下的有限元方程,通过计算含热阻界面两侧单元形函数在单元相交区域的局部积分,实现了区域界面热阻条件的约束。算例表明,该方法不受区域界面数量的限制,能同时适用于对齐网格和非对齐网格,具有良好的通用性。

含热阻多层材料壳体的温度场计算

构造了适用于含热阻多层复合材料壳体温度场计算的壳体温度单元,由于热阻的出现,假设壳体沿厚度方向的温度分布为分段多项式函数,使其满足壳体在内、外表面的边界条件,并在壳体温度单元上每个节点引入额外自由度,从而确定了分段多项式函数的系数。在此基础上,以双层材料为例,假设分布函数为二次分段多项式,给出了有限元列式。算例表明,该单元用于稳态问题时,使用二次分段多项式,温度计算结果就能达到较高的精度;用于瞬态问题时,使用三阶分段多项式,可使温度计算结果具有较高的精度。另外,通过将蜂窝夹芯板的夹芯层等效为热阻,利用构造的壳体温度单元计算了蜂窝夹芯板的热传导问题,计算结果与实验结果符合较好。

聚焦不等晕性对自适应光学位相补偿影响的数值模拟

采用自编的数值模拟程序,数值模拟了激光在大气传输中的聚焦不等晕性,分析了不同激光波长、激光发射口径、大气湍流强度及信标光高度下,聚焦不等晕性对激光发射自适应光学系统波前校正的影响,数值模拟结果与解析公式计算结果吻合较好。数值模拟结果表明,在其他条件不变的情况下,激光发射口径越大,或者湍流强度越强,聚焦不等晕性对激光发射自适应光学系统波前校正的影响就越大;激光导星的高度越高,聚焦不等晕性的影响越小。

亚声速球/柱流场对激光传输影响的数值模拟

采用大涡模拟的方法计算了来流速度为0.6 Ma的球/柱体附近的流场,并采用相屏法研究了该流场对激光传输的影响。结果表明:球头附近的流场引起的气动光学效应对传输到远场的激光光斑特性有较大影响,影响程度随激光传输方向而变化,并且激光发射孔径越大、激光波长越短,影响程度越大。