等離子體鞘套數(shù)值仿真及其與電磁波相互作用.pdf

1、自飛行歷史上第一次達(dá)到高超聲速，人類對高超聲速飛行的研究便開始進(jìn)入到不斷的深入和發(fā)展之中。各種航空飛行器在再入過程中達(dá)到的高超聲速，各航空大國積極投入研究的臨近空間高超聲速飛行器，在帶來先進(jìn)性的同時，也帶來了不可忽視的問題。在高超聲速飛行中產(chǎn)生的高溫效應(yīng)，使飛行器繞流流場中的氣體產(chǎn)生了離解、電離等一系列化學(xué)反應(yīng)，使流場形成一團(tuán)電離氣體，稱為等離子體鞘套。等離子體鞘套與電磁波之間的相互作用對飛行器與地面的通訊以及雷達(dá)對飛行器的探測識別作用

2、造成了不可小覷的影響。等離子體鞘套的存在甚至造成通訊黑障現(xiàn)象，對飛行任務(wù)的安全性乃至成功與否帶來隱患。針對這一現(xiàn)象，研究者們從等離子體鞘套的流場分布特性入手，在等離子體鞘套的形成機(jī)理、組成結(jié)構(gòu)以及數(shù)值仿真方法等方面進(jìn)行了大量的研究工作，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的電磁波與等離子體鞘套相互作用的研究，以解決等離子體鞘套對高超聲速飛行帶來的種種問題。
　　本文以有限體積方法為基礎(chǔ)，建立基于多塊近似結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的計算網(wǎng)格，通過求解積分形式的流體

3、控制方程-納維斯托克斯方程對飛行器繞流流場進(jìn)行數(shù)值仿真，采用隱式LU-SGS時間推進(jìn)方法進(jìn)行三維粘性流動計算，形成計算程序。程序中包含多種基于迎風(fēng)方式的對流通量差分格式，以AUSM類格式為主，并通過Reminne問題將幾種通量分裂差分格式進(jìn)行對比分析。通過計算程序進(jìn)行包覆飛行器流場的數(shù)值仿真模擬，將采用量熱氣體模型計算得到的流場與采用熱化學(xué)非平衡計算得到的流場進(jìn)行對比，總結(jié)兩模型對流場仿真結(jié)果的影響。在以上有限體積計算流體力學(xué)方法的熱完

4、全氣體流場仿真程序的基礎(chǔ)上，引入熱動力學(xué)模型和化學(xué)動力學(xué)模型，使其能夠進(jìn)行熱非平衡、化學(xué)非平衡流場的數(shù)值仿真計算。采用雙溫度模型以及不同的七組元化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，對熱力學(xué)非平衡以及化學(xué)非平衡繞流流場進(jìn)行求解，形成對高超聲速熱化學(xué)非平衡流場的計算程序，計算采用不同化學(xué)反應(yīng)模型得到的流場分布并進(jìn)行對比分析。通過現(xiàn)有文獻(xiàn)中提供的計算和實(shí)驗結(jié)果，驗證了程序進(jìn)行熱動力學(xué)非平衡和化學(xué)非平衡流場計算的可行性和可靠性。進(jìn)行電磁波與等離子體層相互作用分

5、析，通過電磁波在等離子體層中傳播的傳輸系數(shù)、反射系數(shù)和吸收系數(shù)對兩者之間的相互作用進(jìn)行描述。討論等離子體層所具有的非均勻特性對電磁波傳播的影響，以及存在外加磁場時電磁波在離子體層中的傳播。以解決通訊黑障問題的為應(yīng)用背景，將入射電磁波頻率提高到太赫茲波段，為解決通訊中斷問題提供理論參考。進(jìn)行不同飛行場景下圓球繞流流體的計算，場景變化包括飛行馬赫數(shù)以及飛行高度，分析比較等離子體鞘套隨飛行高度和飛行馬赫數(shù)的變化規(guī)律以及造成該變化的原因。得出不