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为了定量研究复燃对固体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算固体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型:使用Fluent软件计算固体火箭尾焰复燃流场;分别使用窄带模型和米氏散射理论计算气体和Al2O3的辐射参数;使用有限体积法(FVM)求解尾焰中的辐射传输方程(RTE)。利用上述模型,分别研究了复燃对无Al2O3粒子和含有Al2O3粒子两种固体火箭尾焰红外辐射特性的影响,并分析了对二者影响差异的原因。结果表明,复燃使无粒子尾焰光谱辐射强度增幅显著,在2.5~3.0 μm和4.2~4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了46.4%和58.4%;复燃使含粒子尾焰光谱辐射强度增幅较小,在2.5~3.0 μm和4.2~4.7 μm两个波段平均辐射强度的增加比例分别为7.7%和8.4%。初步分析认为,复燃使两种尾焰温度增幅不同导致了辐射增幅的差异。
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书书书
第
33
卷
第
6
期
光
学
学
报
Vol.33
,
No.6
2013
年
6
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犑狌狀犲
,
2013
复燃对固体火箭尾焰红外辐射特性的影响
刘尊洋
邵
立
汪亚夫
孙晓泉
(合肥电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥
230037
)
摘要
为了定量研究复燃对固体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算固体火箭尾焰复燃流场和红
外辐射特性的模型:使用
Fluent
软件计算固体火箭尾焰复燃 流 场;分 别 使 用 窄 带 模 型 和 米 氏 散 射 理 论 计 算 气 体 和
Al
2
O
3
的辐射参数;使用有限体积法(
FVM
)求解尾焰中的辐 射 传 输 方 程 (
RTE
)。 利 用 上 述 模 型,分 别 研 究 了 复 燃
对无
Al
2
O
3
粒子和含有
Al
2
O
3
粒子两种固体火箭尾焰红外辐射特性的影响,并分析了对二者影响差异的原因。结
果表明,复燃使无粒子尾焰光谱辐射强度增幅显著,在
2.5
~
3.0
μ
m
和
4.2
~
4.7
μ
m
两个主要辐射波 段 平 均 辐 射
强度的增加比例分别达到 了
46.4%
和
58.4%
;复 燃 使 含 粒 子 尾 焰 光 谱 辐 射 强 度 增 幅 较 小,在
2.5
~
3.0
μ
m
和
4.2
~
4.7
μ
m
两个波段平均辐射强度的增加比例分别为
7.7%
和
8.4%
。初步分析认为,复燃使两种尾焰温度增幅
不同导致了辐射增幅的差异
。
关键词
红外辐射;复燃的影响;有限体积法;固体火箭尾焰
中图分类号
TN215
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛201333.0604001
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(
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,
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狆
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犵
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,
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狆
犾狅
狔
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狆
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犵
犪狊犪狀犱
犃犾
2
犗
3
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(
犉犞犕
)
犻狊狌狊犲犱狋狅狊狅犾狏犲狋犺犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀狋狉犪狀狊犳犲狉犲
狇
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(
犚犜犈
)
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犿狅犱犲犾
,
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犵
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狆
犾狌犿犲狊犫狅狋犺狑犻狋犺狅狌狋犪狀犱狑犻狋犺
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2
犗
3
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狆
犲犮狋犻狏犲犾
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,
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,
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犵
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狆
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2
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3
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~
3.0
μ
犿犪狀犱4.2
~
4.7
μ
犿犪犮犺犻犲狏犲
46.4% 犪狀犱58.4% 狉犲狊
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,
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狆
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2
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3
犻狊狊犿犪犾犾犲狉
,
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犻狀犮狉犲犪狊犲
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狆
狅狉狋犻狅狀狊狅犳狋犺犲狋狑狅狉犪犱犻犪狋犻狅狀 犫犪狀犱狊2.5
~
3.0
μ
犿 犪狀犱4.2
~
4.7
μ
犿 犪犮犺犻犲狏犲7.7% 犪狀犱8.4%
狉犲狊
狆
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狋犲犿
狆
犲狉犪狋犲犻狀犮狉犲犿犲狀狋犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲狋狑狅犮犪狊犲狊.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
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;
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犵
;
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;
狊狅犾犻犱狉狅犮犽犲狋犲狓犺犪狌狊狋
狆
犾狌犿犲
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
040.3060
;
290.6815
;
300.6340
;
280.6780
;
290.5850
收稿日期:
20121224
;收到修改稿日期:
20130306
基金项目:国家重点实验室基金项目(
10J006
)资助课题。
作者简介:刘尊洋(
1984
—),男,博士研究生,主要从事目标的红外辐射特性方面的研究。
Email
:
liuk
p
2003
@
163.com
导师简介:孙晓泉(
1962
—),男,博士,教授,博士生导师,主要从事光学技术方面的研究。
Email
:
sunx
q
@
ustc.com
(通信联系人)
1
引
言
固体火箭尾焰中未完全燃烧的高温气体喷入大
气后,与从 空 气 中 卷 吸 入 的 氧 气 发 生 二 次 燃 烧 (复
燃),增加了尾焰的 温度,进 而 增大 了 尾焰 的 辐射 强
06040011
光
学
学
报
度
[
1
]
。但是,由于考 虑复 燃 时需 要 计算 复 杂 的 化 学
反应和化学反应带来的能量变化和组分比例变化对
流场的影 响
[
2
]
,将大 大增加 流场计 算的难 度和工 作
量。为此,需要定量研 究 复燃 对 尾焰 红 外辐 射 影响
的程度,进而为在计算 中 是否 考 虑复 燃 反应 提 供参
考。另外,固体推进剂中常掺入铝粉,使尾焰中含有
Al
2
O
3
粒子,可能 导 致 复 燃 对 尾 焰 红 外 辐 射 的 影 响
与不含粒子尾焰有 所 不同
,所 以 还需 要 研究 复 燃对
含
Al
2
O
3
粒子尾焰红外辐射特性的影响。
近年来,人们对尾 焰红外 辐射特 性计算 方法的
研究取得了一系列 的 进展,并 提 出了 新 的计 算 模型
如蒙特卡罗 法
[
3
]
、反向 蒙 特 卡 罗 法
[
4
]
、六流 法
[
5
]
、有
限体积法
[
6
]
和离散 坐 标 法
[
7
]
等。 但 是,上 述 文 献 没
有讨论复燃对固体火 箭 尾焰 红 外辐 射 特性 的 影响。
姜毅等
[
2
,
8
]
研究了复燃对 流场 温 度和 组 分分 布 的影
响,但并未涉及 其对 尾 焰红 外 辐射 特 性的 影 响。 国
爱燕 等
[
9
]
研究了 固体火 箭复燃 流场的 紫外特 性,但
是也没有涉及复燃对尾焰红外辐射的影响。王伟臣
等
[
1
]
研究了 复 燃 对 尾 焰 流 场 和 红 外 辐 射 特 性 的 影
响,但是,该文主要研究辐射强度在尾焰近场内各点
的分布情况,没有涉及 复 燃对 尾 焰的 整 体光 谱 辐射
特性的影响。文献[
10
]研究了复燃对液体火箭尾焰
红外辐射的影响,但该 文 仅涉 及 液体 火 箭的 纯 气体
尾焰,末考虑固体粒子的影响。
为了定量研究复燃对固体火箭尾焰红外辐射特
性的影响程度,本文建立了一个较完整的计算模型。
首先,使 用
Fluent
软 件 计 算 固 体 火 箭 尾 焰 复 燃 流
场;然后,分别使用基于
HITEMP
数据 库 的窄 带 模
型和米氏散射理论 计算气 体和
Al
2
O
3
的辐 射 参数;
最后,使用有限体积法(
FVM
)编程求解尾焰中的辐
射传输方程(
RTE
)。 利 用上述 模型,分 别 研究 了 固
体火箭 尾 焰 中 无
Al
2
O
3
粒 子 和 含 有
Al
2
O
3
粒 子 时
复燃对尾焰红外辐 射 特性 的 影响,对 比 了复 燃 对上
述两种情况影响程 度 的差 异,并分 析 了产 生 差异 的
原因。
2
流场计算模型
含粒子复燃流场的计算是一个比较较复杂的过
程,涉及气相多组分 湍 流流 场,气、固两 相耦 合 流场
和复燃反应模型等 内 容,本节 只简 要 介绍 流 场计 算
方法。
2.1
纯气相无复燃流场计算
使用
Fluent
软件计算流场时,选 择基于 密度算
法的隐式求解器进行求解,耦合求解连续方程、动量
方程
、能量方程和组分输运方程,湍流模型选用选择
标准
κ
ε
两方程模型,壁面附近采用标准壁面函数。
2.2
气固两相流场计算
选择 拉格朗 日 欧拉模 型计算 气固两 相耦合 流
场,使用随机游走模型 计 算湍 流 作用 下 颗粒 的 运动
轨迹。计算两相耦 合 流场 时,忽略 颗 粒与 气 相间 的
质量交换
,考虑颗粒与气相之间动量和热量交换,首
先计算气相流场对离散颗粒的动量和热量的改变作
用,然后在后续的迭代 中 计算 相 间耦 合 对气 相 的影
响。随机游走模型通过求解颗粒作用力微分方程来
计算离散相颗粒的 轨 道,颗粒 的作 用 力平 衡 方程 在
笛卡尔坐标系下的形式为
d
狌
p
d
狋
=
犉
D
(
狌
-
狌
p
), (
1
)
式中
狌
为流体速度,
狌
p
为颗粒速度,
犉
D
(
狌
-
狌
p
)表示
颗粒的单位质量曳力
[
11
]
。
2.3
复燃流场计算
选择层流有 限速 率 模 型
[
10
]
,使用
Arrhenius
公
式计算化学源项。第
狉
个反应的化学反应方程式为
∑
犖
犻
=
1
′
ν
犻
,
狉
犕
幑幐
犻
犽
f
,
狉
犽
b
,
狉
∑
犖
犻
=
1
ν
″
犻
,
狉
犕
犻
, (
2
)
式中
犖
是系统中化学物质数目,
′
ν
犻
,
狉
是反应
狉
中反应
物
犻
的化学计量系数,
ν
″
犻
,
狉
是反应
狉
中生成物
犻
的化
学计量系数,
犕
犻
是第
犻
种物质 的符号,
犽
f
,
狉
是反应
狉
的正向速率常数,
犽
b
,
狉
是反应
狉
的逆向速率常数。
用
Arrhenius
定律表示的正向化学反应 速率常
数为
犽
f
=
犃
狉
犜
狀
ex
p
[
-
犈
狉
/(
犚犜
)], (
3
)
式中
犃
狉
是指前因子,
狀
是温度
犜
的指数,
犈
狉
是活化
能,
犚
是通用气体常量。
流场中组分
犻
净生成 速率由 化学物 质
犻
的化学
反应净 源 项 通 过 有 其 参 加 的
犖
狉
个 化 学 反 应 的
Arrhenius
反应源的和计算得到:
犚
犻
=
犕
w
,
犻
∑
犖
狉
狉
=
1
^
犚
犻
,
狉
, (
4
)
式中
犕
w
,
犻
是第
犻
种物质的分子量,
珋
τ
ω
是第
犻
种物质在
第
狉
个反应中的产生/分解速率。
化学反应释放出的能量会对流场分布及尾焰红
外辐射特性产生较 大 影响,为 此 在流 场 能量 守 恒方
程中加入化学反应 源 项,以考 虑化 学 反应 对 流场 和
辐射的影响,化学反应源项的
犛
犺
的表达式为
[
11
]
犛
犺
=-
∑
犻
犺
0
犻
犕
w
,
犻
犚
犻
, (
5
)
式中
狌
=
犘
犻
犔
(
296
/
犜
)是组分
犻
气体的标准状态焓。
06040012
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