基于逆向蒙特卡洛法的溶液葡萄糖浓度低相干测量

提出了基于蒙特卡洛逆运算的葡萄糖含量低相干干涉测量方法,理论研究了葡萄糖含量与光学参数的相关性。通过正向蒙特卡洛数值模拟说明了从干涉曲线中同时求解散射系数和吸收系数的条件和可行性。以脂肪乳悬混溶液Intralipid作为实验对象,研究了糖浓度变化对深度相关干涉信号的影响。利用低相干干涉测量系统配合逆向蒙特卡洛计算提取了散射和吸收系数,进而通过散射和吸收系数的变化量间接获得了溶液葡萄糖含量。对实验结果与双积分球测量结果进行了比较验证,并对存在的系统误差进行了修正。实验结果显示,在加入修正值后,测量的散射和吸收系数的最大相对误差分别为2.52%和3.11%。研究结果表明,葡萄糖含量与散射系数和干涉曲线存在高度相关性,在非前向散射条件下,可以同时测量吸收和散射系数。经过校准后的测量结果满足了实际要求。

BMC法计算航空发动机红外辐射的效率研究

反向蒙特卡罗（BMC）法的计算精度高、适应性强,是计算目标红外辐射特征的常用方法。基于CFD和IR综合计算分析的方法,研究了射线步长、射线数、射线携带能量方式等因素对BMC法计算航空发动机红外辐射强度的效率的影响。结果表明：射线步长与喷管出口当量直径比在0.05～0.1的范围内,射线数达到105量级时的计算效率较高;采用射线携带多个波段能量的方法,计算时间可缩短数十倍;通过MPI平台实现了并行计算,进一步缩短BMC法的计算时间,但并行效率随着计算核心的增加而下降。在保证计算精度的前提下,通过合理地选择参数、算法改进和并行计算,提高了计算效率。

喷口修形对二元喷管红外特征影响的数值研究

为降低排气系统的红外特征,以轴对称喷管为基准,设计了一种出口宽高比为4∶1的二元喷管;并对二元喷管出口型面进行不同尾缘修形。在商业软件中计算了二元喷管的温度场、速度场、压力场和组分浓度场的分布,采用自主开发的红外软件NUAA-IRSE,用反向蒙特卡罗法计算各喷管的红外辐射特征;并与基准轴对称喷管的计算结果进行对比。计算结果表明:二元喷管及对其尾缘修形后,遮挡了部分排气系统内部的高温部件,强化了尾喷流的掺混,在大部分探测方向上抑制了排气系统的红外特征;在喷管推力系数下降小于2%前提下,尾喷流红外最大降低36%,高温壁面红外最大降低28%。

稀薄环境下高空羽流流动与超窄谱红外辐射特性数值研究

采用直接模拟蒙特卡洛方法描述有限个仿真分子的运动、碰撞以及传能效应,计算得到高空羽流非平衡流场特性,利用统计平均方法获取羽流场的宏观参数,并采用佛奥特线型函数描述稀薄气体的展宽,逐线积分得到气体超窄谱红外辐射特性参数,结合反向蒙特卡洛方法计算高空羽流辐射传输方程,利用理论和实验数据验证流动与辐射计算模型的适用性,在此基础上,以某小推力发动机为对象,研究了其流动与超窄谱的红外辐射特性。研究结果表明:高空羽流场由于急剧膨胀,导致密度快速下降,进而产生明显非平衡效应;燃气组分受速度惯性影响,不同分子量的组分会有扩散分离效应;燃气组分谱线细而窄,以多普勒展宽为主,辐射峰值往中波平移,且4.7μm的CO及6.5μm的H2O发射带辐射能量占有更大份额;辐射亮度轴向分布集中在二倍喷管直径距离内,辐射亮度径向分布集中于分离波线以内的激波区内及内流区,其他区域成指数衰减。

高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件。本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得到飞行器在94公里飞行高度下,无来流、不同来流攻角、不同来流速度下的尾焰流场红外辐射特性,并针对低轨卫星的可观测性进行了评估。仿真结果表明,对于给定观测位置,在无风条件下,红外辐射在各个波段下的强度较低,最大值在10^(−9) W/m^(2)量级。而在来流攻角影响下,流场红外信号强度显著上升,且来流攻角、来流速度越大,强度越大,最大值在10^(−6) W/m^(2)量级。大气衰减效应对不同观测位置的可观测性影响较大。本文结果可为高超声速飞行器红外预警和反导提供参考。

飞机发动机尾流流场数值模拟与红外特性计算

建立飞机尾喷管的三维几何模型,利用Fluent 6.3.26软件对喷管外的流场区域进行数值模拟,基于发动机完全燃烧假设得到尾焰流场温度、压强等流场数据。利用K-分布法计算尾焰气体辐射参数,采用反向蒙特卡洛法(RMC)对气体红外辐射特性进行了计算,最终获得尾焰的红外辐射图像。

被测表面失焦对红外测温的影响研究

由于探测位置安装的限制,被测表面会部分或者全部失焦,这将对红外测温产生影响,利用反向蒙特卡洛法对物平面的平行离焦和旋转失焦两种情况进行了模拟,并且分析了相机分辨率和壁温分布对测温的影响,得出当物平面平行离焦时,随着离焦距离的增大,红外测温的误差也越大,当物平面旋转失焦时,随着旋转角度的增大,红外测温的误差也越大,随着CCD相机分辨率的增加,离焦对红外测温的影响越来越小,但分辨率提高到一定程度后,分辨率的影响几乎可以忽略,此外温度分布也对红外测温也有影响,温度变化越剧烈,离焦时测温误差越大。

基于Fluent的飞机红外辐射特性建模与仿真

建立飞机几何模型进行非结构化网格处理,基于F1uent软件对飞机在外流场作用下的气动热进行了数值模拟计算,综合考虑尾喷管、尾焰辐射对飞机机身温度的影响,获得飞机表面的温度分布数据,然后基于反向蒙特卡洛法建立飞机机身红外辐射特性计算模型,利用辐射传输方程计算尾焰红外辐照度,通过灰度转换获得飞机的红外图像。

火箭发动机有遮挡情况的尾焰红外辐射计算

火箭发动机工作过程中的尾焰会产生强烈的红外辐射,对其结构及载荷有加热的效果,同时一些结构成为了遮挡物体,会影响辐射的传输。为了研究复杂的有遮挡状况下的红外辐射传输,采用反向蒙特卡洛方法,编写气体红外辐射计算程序。计算并分析标准等温流场对其表面的辐射强度,与教材算例对比,验证了红外辐射算法的有效性和正确性。针对某尾焰复燃流场,分别计算并分析尾焰流场有无遮挡两种情况下的气体红外辐射强度。并比较了遮挡物在不同形状、尺寸、位置下产生的影响。研究表明:尾焰的辐射会对发动机结构产生热影响;增加遮挡后,被遮挡区域的辐射强度数值明显减小;遮挡的形状、尺寸及位置都会对其效果产生影响。

飞行器红外辐射计算及图像生成技术研究

飞行器红外成像的关键技术是将接收的红外辐射能量转换为可见的灰度图像。基于飞行器红外辐射特性和红外传感器的成像原理,提出了一种利用射线跟踪(Raytracing)结合反向蒙特卡洛法(RMC)的飞行器目标红外辐射图像生成技术的实现方法。首先利用三维建模软件建立飞行器的几何模型,并利用商业软件ICEM对模型进行网格划分,然后基于流体力学基本守恒定律——N-S方程组的基本原理,利用Fluent软件对飞行器外流场进行数值模拟,获得飞行器的温度场分布,最后利用反向蒙特卡洛法对射线的辐射传递过程进行概率模拟计算,利用MODTRAN进行了大气传输衰减的透过率计算,利用射线跟踪技术获得了飞行器的红外辐射图像。

垂直起降喷管的红外辐射特性数值分析

为提高飞机排气系统的红外隐身性以及机动性,发展和提出一种多轴级联旋转式垂直起降喷管,并运用Malkmus统计窄谱带模型和反向蒙特卡洛法(RMCM)对常规巡航、垂直起降和中间形态S隐身模式下喷管红外辐射特性进行参数化研究。结果表明:相比于常规巡航模式喷管,垂直起降模式喷管红外辐射强度最大降低23%,S隐身模式喷管最大降低47%;舱段相对转角变化规律对S隐身模式喷管红外辐射特性影响显著,此外靠近出口的舱段相对转角变化规律对垂直起降模式喷管红外辐射特性影响较小。

基于全散射技术局域结构确定与凝聚态物质

原子或分子的堆积方式和元素分布是凝聚态物质的核心问题,而局域结构的精确测定则为揭示原子堆积方式和元素分布提供了重要手段。获得与化学成键直接关联的局域结构信息,是人们认识化学反应,理解功能材料设计结构本质的重要依据。基于全散射技术的原子对分布函数方法(PDF),通过考虑原子对间距的空间分布规律,为具有不同结晶状态和团聚方式的凝聚态体系提供了全尺度的结构信息。本文从介绍全散射和原子对分布函数方法的理论基础出发,根据凝聚态物质的聚集形态差异和结构化学特点,列举了近年来在研究凝聚态物质的原子对分布函数过程中,结合原位温度场、反向蒙特卡洛等方法获得的物质局域结构信息和短程到长程的结构演变。通过分析局域结构与长程结构的对比差异,从局域尺度的视角为研究凝聚态物质的化学反应、功能物性优化和外场响应提供了新的思路。

基于效能评估的战斗机末端光电对抗仿真

为掌握战斗机末端光电威胁交战场景,评估无源干扰手段使用样式策略和效能,采用集对分析和粗糙集理论的综合评估方法,研究了不同类型和数量来袭导弹时威胁等级和威胁排序实现算法。同时对飞机、多点源诱饵、伴飞诱饵及面源诱饵干扰特性的建模计算进行了分析研究,生成飞机与多点源、伴飞及面源诱饵相互影响的红外对抗场景。利用告警等级模型评估的威胁等级自适应决策出无源干扰的使用策略,并能对战斗机末端光电手段进行干扰效能评估。结果表明:能实时生成不同帧频下的战斗机末端红外对抗场景;根据威胁等级排序决策能力,对多点源、伴飞和面源诱饵使用策略和干扰效能进行有效评估。