气固耦合下的飞行器尾焰光谱辐射特性研究

作     者：陈杨 

作者单位：西安邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李京英

授予年度：2024年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：气固耦合 尾焰 氧化铝粒子 辐射传输模型 光谱辐射特性 

摘      要：光学探测相较雷达探测具有隐蔽性更强和灵敏度更高等优势,尾焰光谱辐射特性作为飞行器探测的主要参数具有非常重要的研究意义。本文建立了气固耦合下飞行器尾焰的光谱辐射传输模型,分析了气固耦合作用对飞行器尾焰光谱辐射特性的影响,研究了基于OH和氧化铝粒子的两相流尾焰紫外光谱辐射特性,为实际工程探测提供了理论依据。本文主要的研究工作包括: （1）建立了BEM-2发动机尾焰流场模型,分析了不同化学反应机理下的纯气相尾焰流场及不同氧化铝粒子含量下的气固耦合尾焰流场。结果表明,化学反应机理对尾焰流场的影响主要集中在二次燃烧区域;氧化铝粒子含量提高,尾焰流场温度上升,HO和CO的轴向摩尔分数下降位置后移,OH的含量增加。 （2）从理论上推导了气固耦合下飞行器尾焰的光谱辐射传输方程,改进了传统球谐离散坐标法,并通过仿真验证了所建模型和算法在求解气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性时是可靠和有效的。 （3）仿真了BEM-2发动机尾焰流场,分析了气固耦合及纯气相尾焰的红外光谱辐射特性,并与实验数据进行了对比。结果表明,与纯气相尾焰相比,气固耦合下氧化铝粒子的加热作用导致尾焰流场温度升高,喷管出口处压强增大,马赫环前移,HO和CO在径向与轴向上的分布改变,尾焰红外辐射强度增大,且光谱辐射特性越强的波段,两种情况下的尾焰红外光谱辐射强度差异越大。 （4）基于Mie理论和逐线积分法计算了尾焰中氧化铝粒子的散射特性和OH的紫外吸收系数,仿真了尾焰的紫外光谱辐射特性,并与实验结果进行了对比。结果表明,OH的吸收系数值沿着轴线方向随马赫环的位置上下波动;在261nm、282nm和306nm等紫外波长处,氧化铝粒子光谱辐射强度分别约占尾焰总光谱辐射强度的96%、85%和73%,远高于OH气体光谱辐射强度占比;尾焰紫外光谱辐射强度的径向范围整体较窄且尾部呈收敛状,与实验结果具有良好的一致性。 （5）研究了多种氧化铝粒子模型的气固耦合尾焰流场特性,分析了其紫外光谱辐射特性。结果表明,增大氧化铝球形粒子粒径,会导致尾焰流场温度升高,OH摩尔分数增加,尾焰紫外光谱辐射强度增大;与氧化铝球形粒子相比,氧化铝簇团粒子可使尾焰流场温度升高,显著增强尾焰紫外光谱辐射强度。