基于卷积神经网络的地面尾喷焰流场预测

针对采用传统计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法计算火箭发动机尾喷焰耗时较大的问题,提出了一种基于卷积神经网络方法的地面尾喷焰反应流场智能预测模型,用于实时、快速生成典型发动机型谱参数条件下的高精度喷焰流场结果.以固体弹道评估发动机(ballistic evaluation motor Ⅱ, BEM-Ⅱ)为研究对象,在一定发动机型谱参数范围内采用拉丁超立方抽样方法抽选样本空间,将基于CFD方法计算的40个尾喷焰稳态流场样本作为模型训练数据集.采用编码器-解码器结构,引入并行解码器、反卷积层和瓶颈层,使模型能够在数量较少的样本下取得良好的训练效果.采用试车实验数值结果验证和评估了不同欠膨胀状态下尾喷焰流场智能预测模型CNN-PLUME的预测性能.结果表明:建立的尾喷焰智能预测模型回归系数接近于1,模型鲁棒性强;可实时生成尾喷焰反应流场结果,模型效率高;喷焰流场预测结果与试验校核数据高度一致,模型预测精度高;在不同欠膨胀状态下尾喷焰流场最大误差为14.17%,模型泛化能力较强.该模型可为地面试车尾喷焰流场规律以及发动机型谱参数设计提供方法支撑.

基于多波段比亮度特征的火箭发动机类型辨识研究

针对天基红外预警分类识别问题,从典型火箭发动机喷焰光谱结构分析入手,以燃烧产物分子H_(2)O、CO_(2)、CO、HCl特征波段辐射亮度比构造分类特征向量,提出以HCl和H_(2)O特征波段亮度比作为固、液类型大类的特征量,再以CO_(2)、CO分别与H_(2)O特征波段亮度比为特征量进行固、液发动机子类进行分类的总体分类策略。采用粒子群优化的支持向量机分类算法对所提出的分类策略进行了数值实验验证,并探究了分类策略的抗噪性能。结果表明在该数值实验条件下,无噪声时平均分类正确率度达到100%,加入5%和10%的高斯噪声后,分类准确率在92%以上。

类B-2型飞行器红外辐射特性数值模拟

类B-2型飞行器因其独特的气动布局和较强的隐身能力,成为攻防对抗和预警探测识别工作中重点关注的目标之一。通过构建类B-2型飞行器的气动外形,基于真实可压缩气体模型和辐射平衡壁面边界条件预测典型飞行工况(12 km@0.8 Ma)下的绕流场、尾喷焰和壁面温度,结合窄谱带高温气体辐射物性数据库,采用视在光线法求解辐射传输方程,获得不同观测角度、不同波段条件下目标本体和尾喷焰的红外辐射特性。结果表明:类B-2型飞行器在俯视观测角度下辐射强度最强,本体在长波波段内的辐射强度较中波波段高出近两个量级。中波波段内目标辐射强度主要来自尾喷焰,长波波段内主要来自本体。研究可为类B-2型飞行器的目标特性识别提供理论参考。

来流导致的火箭发动机喷焰红外辐射强度不确定度量化分析

在火箭发动机喷焰红外辐射预测过程中,由于弹道参数的不确定性因素存在,会影响喷焰红外辐射信号计算结果的置信度。文中以Atlas-IIA低空喷焰为研究对象,以来流速度、来流温度、来流压力和飞行攻角为不确定性输入变量,采用拉丁超立方试验设计样本,开展喷焰反应流场与红外辐射特性计算,获得各样本点对应的喷焰红外辐射响应值,利用非嵌入混沌多项式(No-intrusive Polynomial Chaos,NIPC)方法构建代理模型,采用响应面法求解NIPC多项式系数,基于统计参量研究各参量对红外辐射信号的不确定度和敏感性。结果表明来流特性引起的辐射强度不确定度与波段的选取有较高的关联度。来流速度对光谱辐射强度的灵敏程度最高,来流压力和攻角次之,来流温度的影响可忽略不计;来流速度对2.5~3.2、2.8~3.0μm谱带内的辐射强度敏感,主Sobol指数占比均在80%左右,来流压力对4.35~4.65μm波段辐射强度的影响占比为70%;各参数间的耦合作用对喷焰红外辐射的影响不高于4%。该研究可为火箭发动机尾喷焰红外辐射准确预估和置信度评估提供理论支撑。

燃烧产物二氧化碳高温辐射的窄谱带模型参数

窄谱带模型法与 CG近似及 LS近似结合能够很好处理非灰、非等温、非均匀介质的辐射传输问题 ,在飞行器发动机燃烧室及尾喷焰高温辐射传输问题研究中多被采用。二氧化碳是含碳类推进剂主要的燃烧产物 ,其辐射特性的研究一直受到国内外重视 ,但其现有的窄谱带模型数据不完整或分辨率太低。本文利用最新的高分辨率高温燃气光谱数据库 HITEMP(序列号 :31 5 3) ,并将其中的谱线光谱参数外推到 30 0～ 30 0 0 K的温度范围内 ,计算得到了一个新的、完整的、分辨率较高的二氧化碳窄谱带模型参数库。以本文计算的模型参数为基础 ,采用窄谱带模型计算了各种光学路径下的发射率、穿透率 ,其结果与实验值符合很好。

高超声速再入体可见、红外辐射特性数值模拟

用带有非平衡化学反应源项的粘性激波层方程模拟了高超声速小钝头体零攻角再入段绕流流场 ,并对壁温边界条件进行了改进 .建立了复杂几何形状内求解辐射传递方程的贴体坐标系下的离散坐标法 ,与谱带模型相结合求解了小钝头体头身部七组元空气激波层辐射强度场 .考查了紫外光谱区 (0 .2～ 0 .4 μm)、可见光谱区 (0 .4～ 0 .8μm)及红外光谱区 (0 .8～ 2 .0 μm)吸收系数不确定性对辐射场计算结果的影响 .

贴体坐标系下离散坐标法计算尾喷焰辐射特性

在计算尾喷焰燃气组分、辐射物性的基础上,用贴体坐标系下的离散坐标法(DOM),研究了不同工况下尾喷焰的红外光谱辐射特性随飞行高度的变化特征,分析了介质的辐射物性对尾喷焰辐射特性的影响. 研究结果表明: 尾喷焰的辐射物性对尾喷焰辐射传输计算有很大的影响;在所考虑的工况下,与喷焰轴向垂直的方向上光谱辐射最强.

300～3000K水蒸气红外辐射谱带模型参数

水蒸气分子光谱数据在航天科学、大气科学、天体物理以及热能动力工程中有着广泛的应用。本文以最新的高分辨率高温燃气光谱数据库HITEMP为基础 ,通过合理的外推 ,计算得到 30 0～ 3 0 0 0K的温度范围内水蒸气谱带模型参数 :平均吸收系数、谱线密度、谱线半宽 ,建立了比 1973年NASA发布的数据更新、更详细的模型参数表。以本文的模型参数表为基础 ,采用统计谱带模型计算了各种光学路径下的发射光谱 ,其结果与实验值符合很好。

反向蒙特卡罗法模拟参与性介质中热辐射传递

为解决传统蒙特卡罗法结果收敛时间长的问题,当仅需要了解某个指定位置和方向的信息时,提出了反向蒙特卡罗法替代方法.该反向运算法则与传统的蒙特卡罗法类似,除了能束射线反向跟踪外.能束的传播是从探测位置到参与性介质中,而不是从像传统的蒙特卡罗法从源到探测位置处.利用反向蒙特卡罗法模拟计算一维和二维的热辐射传递问题,并且与相关文献进行比较,结果吻合较好.

一种新的CO_2高温辐射特性窄谱带模型参数计算方法

本文以美国空军地球物理实验室最新的高分辨率高温燃气光谱数据库ＨＩＴＥＭＰ（序列号：３１５３）为基础，在３００～ ３０００ Ｋ的温度范围内，计算了二氧化碳的谱带模型参数 κ，β，得到了比 １９７３年 ＮＡＳＡ发布的数据更新、更详细的数据。同时以本文的模型参数为基础，采用统计谱带模型计算了各个谱带各种光学路径下的发射率、穿透率，其结果与实验、逐线计算值（Ｌｉｎｅ－ｂｙ－Ｌｉｎｅ）符合很好。

水蒸汽非灰辐射光谱吸收系数

辐射显著影响燃烧的化学动力学和火焰结构。火焰燃烧辐射传输问题的计算 ,需要考虑气体辐射的非灰特性。辐射传输方程微分方法的近似解通常以吸收系数为基本参数。基于此 ,研究了总压 0 .1MPa,分压 0 .0～ 0 .1MPa,压力行程 0 .0 1～ 1.0 MPa· m,温度 30 0～ 2 5 0 0 K水蒸汽的光谱辐射特性。由 Edwards指数宽波带模型进一步简化 ,得到了计算水蒸汽各个谱带辐射特性参数 ,包括谱带光谱吸收系数 ,谱带上。

火箭发动机喷焰红外辐射数值计算方法研究(特邀)

火箭发动机高温尾喷焰因具有显著的红外辐射特征成为天基红外系统探测、跟踪、分类和识别任务重点关注的对象。火箭发动机喷焰辐射信号产生、传递机制的物理建模和数值计算一直是目标探测领域重点关注的问题,也正朝着高精度、高效率的方向发展。针对火箭发动机喷焰红外辐射数值计算研究,围绕喷焰红外辐射计算链路所涉及的各环节,从喷焰反应流场模拟、高温燃气辐射物性参数计算、辐射传输计算和数理模型校验试验等方面的研究情况展开综述。

多普勒漂移对超音速燃气流光辐射特性计算的影响

分析了超音速射流由于高速相对运动产生多普勒谱线漂移效应对光辐射特性计算的影响。通过采用逐线计算法对不同环境压力、气流温度、气流速度条件下超音速燃气射流在不同的红外光谱区(2.7微米谱带和4.3微米谱带)光辐射谱带积分强度的计算结果比较表明:多普勒漂移效应受环境总压影响最大,压力越大多普勒漂移的影响越小;随着温度升高多普勒漂移效应的影响降低;随着相对速度的增加,多普勒漂移效应的影响多数情况下是增加的。

湍流脉动对发动机尾喷焰红外信号的影响

本文用简化的概率密度函数模拟温度的脉动,分析了轴对称火箭发动机尾喷焰湍流脉动对时均辐射信号的影响。分析结果表明,在不同的探测波长上,湍流脉动引起的时均辐射信号变化不同;由于光谱吸收系数总体上随温度的升高而降低,且降低的速率比Planck函数随温度的升高的速率大,从而导致随湍流温度脉动强度的升高尾喷焰时均辐射信号在不同波长处有不同程度的降低。

高温含粒子自由流红外辐射特性的反向蒙特卡罗法模拟

高温含粒子自由流红外辐射特性的研究在目标探测、燃烧诊断、火焰温度测量等领域有着重要应用.利用反向蒙特卡罗法模拟计算高温含粒子自由流的红外辐射特性,考察了自由流中粒子散射和边界条件对定向辐射热流的影响,并与正向蒙特卡罗法进行比较,比较结果表明反向蒙特卡罗法在计算效率上明显优越.

固体火箭发动机尾喷焰红外特性数值模拟

在给定浓度场、温度场、粒子和气体组份辐射物性参数的条件下 ,将贴体坐标系下有限体积法用于主动段尾喷焰红外光谱特性计算 ,考虑了粒子的各向异性散射 ,计算结果与贴体坐标系下的离散坐标法进行了比较 .分析了2 .7μm、2 .95 μm表观光谱辐射强度及 2 .7～ 2 .95 μm的表观谱带辐射强度 ,考察了若不考虑散射或用各向同性散射假设 ,来近似非线性各向异性散射所带来的计算误差 .

管内耦合换热的辐射热流特征及抽样模式比较

通过数值模拟,研究了圆管层流入口段辐射与对流祸合换热中的辐射热流分布特征,提出并比较了采用蒙特卡罗法计算辐射换热的两种抽样模式。结果表明,在圆管入口段的耦合换热中,同一截面的径向辐射热流密度与轴向辐射热流密度数量级相当,世分布形态差别很大。用蒙特卡罗方法计算辐射换热时,采取等权能束的抽样模式,可消除因抽样能束的能量不同而造成的计算误差、降低计算量、提高计算精度。

红外1～14μm波长间隔0.1μm上大气平均透过率 (Ⅰ)二氧化碳的透过率

红外探测系统的精确设计依赖于高精度的大气透过率。基于ＨＩＴＲＡＮＤａｔａｂａｓｅ高分辨率光谱数据库，利用逐线积分法透过率计算程序计算了标准状态下海平面上大气的透过率分布，得到了二氧化碳红外１～１４μｍ波长间隔０．１μｍ上的平均透过率，编制了可供工程应用的二氧化碳平均透过率数据表．

红外1～14μm波长间隔0.1μm上大气平均透过率(Ⅱ).水蒸汽的透过率

利用高分辨率光谱数据软件ＵＳＥＨＩＴＲＡＮＰＣ２ ．５０ 版本计算了标准状态下海平面上水蒸汽红外１ ～１４ μｍ 波长间隔０．１ μｍ 上的平均透过率，并给出了相应的平均透过率表．