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基于光线追迹法的飞行器头罩外流场气动光学效应研究

基于光线追迹法的飞行器头罩外流场气动光学效应研究

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作者：张东阳西安电子科技大学

学位级别：硕士

高超声速飞行器在高空飞行时会与气流发生剧烈作用,使光学成像系统的目标图像发生偏移、模糊、畸变等现象,这称为气动光学效应。研究飞行器周围的流场特性以及流场造成的气动光学效应,对于提高目标成像的清晰度和定位精确度,以及对于气... 详细信息

高超声速飞行器在高空飞行时会与气流发生剧烈作用,使光学成像系统的目标图像发生偏移、模糊、畸变等现象,这称为气动光学效应。研究飞行器周围的流场特性以及流场造成的气动光学效应,对于提高目标成像的清晰度和定位精确度,以及对于气动光学效应的校正,都具有重要的研究意义。本文采用计算流体力学技术,借助ICEM软件建立了飞行器光学头罩钝锥体模型,随后通过Fluent软件仿真出光学头罩壁面附近的高速流场在不同高度和马赫数状态下的密度场分布特性,并试着从空气动力学角度对这种分布做出合理解释。为了方便对目标流场的研究,本文对流场网格进行了预处理,包括流场坐标系的转换、计算流体区域的选择以及利用G-D公式求解流场的折射率分布。为了精确计算光线在流场中的传输,本文运用误差后向反馈(BP)神经网络算法,对不同状态下的折射率场进行插值训练,得到了规则的网格矩阵、足够密集的折射率值分布。本文从流场的密度分布开始,分别从几何光学法和物理光学法两个角度对层流流场的气动光学效应进行分析。首先从几何光学方法入手,采用基于流体计算网格的光线追迹方法,大大降低了计算量和计算复杂度。根据光线在网格中传输的具体情况,提出了四种不同的折射率插值计算方法,提高了计算精度。最后重点计算了光线在流场中传输最终到达壁面窗口的光程差、角偏差和瞄视误差,并研究了它们随着高度、马赫数和光线入射角的变化规律。结果表明,飞行马赫数和光线入射角的增大,会使气动光学效应增强;相反,气动光学效应随着高度的上升而减弱,且当高度上升到一定程度,可以明显削弱其他因素对气动光学效应的影响。物理光学方法的研究从光程差开始,首先给出了光束穿过流场到达成像面的光程差、波像差、点扩散函数和斯特列尔比的计算方法。接着研究了高度、马赫数和光束入射角对成像面内点扩散函数分布和斯特列尔比的影响。结果表明,光束入射角的增大会加重成像的模糊并且减弱中心成像的亮度,使气动光学效应增强;随着高度的增加,斯特列尔比变大,气动光学效应逐渐减弱,这与上文的结论相呼应。本文还从新的角度入手,研究了基于折射率梯度门限的重构折射率场并验证了用它来研究气动光学效应的精确度和可靠性。首先利用不同阀值时的折射率梯度门限重构了折射率场,并与原来的折射率场进行比较。研究发现当忽略的折射率梯度元素的个数占总个数的50%以内时,重构折射率场几乎等同于原折射率场。最后通过光线追迹法计算光程差的均方根相对误差,验证了这一结论。这对于研究气动光学效应机理以及修正气动光学效应有重要参考价值,为气动光学效应的研究提供了一个新的思路。

关键词：高超声速气动光学 BP神经网络光线追迹法折射率梯度门限

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