CN108021740A - 一种喷管红外成像计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种喷管红外成像计算方法，包括步骤有：(1)确定流场网格计算域和参数；(2)采用有限体积法迭代计算喷管内部高温气体辐射亮度,从而得到喷管固壁的有效辐射亮度；(3)以步骤(2)获得的喷管固壁的有效辐射亮度为边界条件,采用射线追踪法求解喷管到红外成像探测器的辐射传输，根据辐射值获得喷管和喷焰的红外成像。本发明既能考虑喷管固壁对高温气体辐射的多次反射问题，又能避免假散射造成的成像模糊问题。

Description

一种喷管红外成像计算方法
技术领域
本发明涉及红外辐射建模领域，尤其涉及一种喷管红外成像计算方法。
背景技术
计算飞行器的喷管红外辐射特性需要考虑喷管壁面的发射以及对周围热气体的反射、高温气体的吸收和发射。在处理带壁面边界条件的辐射传输问题时通常选择有限体积、离散坐标或蒙特卡洛等方法来解决。蒙特卡洛法计算量巨大、一般作为基准方法，工程应用较少。有限体积法与离散坐标法属于同类算法，对于几何形状较复杂的工程问题有限体积法具有明显优势，但有限体积这类算法存在假散射现象，不适合成像计算。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种喷管红外成像计算方法，解决了飞行器喷管红外辐射特性成像数值模糊的问题。
本发明提供的一种喷管红外成像计算方法，其改进之处在于，所述计算方法包括如下步骤：
(1)确定流场网格计算域和参数；
(2)采用有限体积法迭代计算喷管内部高温气体辐射亮度,从而得到喷管固壁的有效辐射亮度；
(3)以步骤(2)获得的喷管固壁的有效辐射亮度为边界条件,采用射线追踪法求解喷管到红外成像探测器的辐射传输，根据辐射值获得喷管和喷焰的红外成像。
优选的，所述参数包括喷管固壁的壁面温度、喷焰高温气体温度分布、压力分布和气体组分分布。
较优选的，步骤(2)包括：
1)采用一阶精度有限体积法离散不同传播方向的辐射传输方程；
2)采用共轭梯度法对离散后的辐射传输方程系数矩阵进行求解，得到喷管内部高温气体辐射亮度；
3)将喷管固壁的壁面划分成网格单元面，设定每个网格单元面的初始有效辐射亮度为边界条件，喷管固壁的有效辐射亮度表达式为：
式中，η表示光谱波段，w表示喷管固壁，b表示黑体，εη,w表示喷管固壁的光谱发射率，Lb,η,w表示与喷管固壁同温度的黑体光谱辐射亮度，表示与喷管固壁相邻的高温气体的第i个方向的辐射亮度，为喷管固壁法向量，为第i个方向矢量，Ωi为第i个立体角；
4)求解所述辐射传输方程，根据每个网格单元面的有效辐射亮度，经迭代计算得到最终喷管固壁有效辐射亮度。
较优选的，步骤(3)采用射线追踪法求解喷管到红外成像探测器的辐射传输包括：
a)将成像平面根据红外成像探测器划分网格；
b)从任一成像网格点出发逆着光线传播方向进行反向射线追踪；
c)若追踪到喷管固壁的某网格单元面，则以网格单元面上的有效辐射亮度值为初值，再沿着光线传播方向进行正向射线追踪求解辐射传输方程，由此获得传输到红外成像探测器网格点的红外辐射亮度；如果追踪到边界外，则以0为初值沿着光线传播方向进行正向射线追踪求解辐射传输方程；如果反向追踪的射线未经过计算域，则将该像素的辐射亮度值置0，由此获得所述喷管和喷焰的红外成像。
较优选的，所述气体组分包括CO2和H2O。
较优选的，步骤(3)生成边界条件时，反射辐射值初始化为0。
本发明的技术方案中，既能考虑喷管固壁对高温气体辐射的多次反射问题，又能避免假散射造成的成像模糊问题。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本实施例提出的一种喷管红外成像计算方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：
(1)确定流场网格计算域和参数；流场网格包括喷管固壁的壁面形成的网格和喷焰时气体所在的空间划分的网格，两个网格形成的领域为计算域。参数包括喷管固壁的壁面温度、喷焰高温气体温度分布、压力分布和气体组分分布。其中，气体组分包括CO2和H2O，高温气体指温度达到1500k以上。
(2)采用有限体积法迭代计算喷管内部高温气体辐射亮度,从而得到喷管固壁的有效辐射亮度；其中，有效辐射亮度包括自身发射的辐射亮度和发射辐射亮度两部分。具体的，得到有效辐射亮度的步骤如下：
1)采用一阶精度有限体积法离散不同传播方向的辐射传输方程；
2)采用共轭梯度法对离散后的辐射传输方程系数矩阵进行求解，得到喷管内部高温气体辐射亮度；
3)将喷管固壁的壁面划分成网格单元面，设定每个网格单元面的初始有效辐射亮度为边界条件，喷管固壁的有效辐射亮度表达式为：
式中，η表示光谱波段，w表示喷管固壁，b表示黑体，εη,w表示喷管固壁的光谱发射率，Lb,η,w表示与喷管固壁同温度的黑体光谱辐射亮度，表示与喷管固壁相邻的高温气体的第i个方向的辐射亮度，为喷管固壁法向量，为第i个方向矢量，Ωi为第i个立体角；
4)求解所述辐射传输方程，根据每个网格单元面的有效辐射亮度，经迭代计算得到最终喷管固壁有效辐射亮度。
(3)以步骤(2)获得的喷管固壁的有效辐射亮度为边界条件,反射辐射值初始化为0，采用射线追踪法求解喷管到红外成像探测器的辐射传输，根据辐射值获得喷管和喷焰的红外成像。具体的，采用射线追踪法求解喷管到红外成像探测器的辐射传输，根据辐射值获得喷管和喷焰的红外成像的步骤包括如下子步骤：
a)将成像平面根据红外成像探测器划分网格，并且每个网格点赋辐射亮度初值为0；
b)从任一成像网格点出发逆着光线传播方向进行反向射线追踪；
c)若追踪到喷管固壁的某网格单元面，则以该网格单元面上的有效辐射亮度值为初值，再沿着光线传播方向进行正向射线追踪求解辐射传输方程，由此获得传输到该成像(红外成像探测器网格点)的红外辐射亮度；如果追踪到边界外，则以0为初值沿着光线传播方向进行正向射线追踪求解辐射传输方程；如果反向追踪的射线未经过计算域，则将该像素的辐射亮度值置0，由此获得喷管和喷焰的红外成像。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种喷管红外成像计算方法，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：
(1)确定流场网格计算域和参数；
(2)采用有限体积法迭代计算喷管内部高温气体辐射亮度,从而得到喷管固壁的有效辐射亮度；
(3)以步骤(2)获得的喷管固壁的有效辐射亮度为边界条件,采用射线追踪法求解喷管到红外成像探测器的辐射传输，根据辐射值获得喷管和喷焰的红外成像。
2.如权利要求1所述的喷管红外成像计算方法，其特征在于，所述参数包括喷管固壁的壁面温度、喷焰高温气体温度分布、压力分布和气体组分分布。
3.如权利要求2所述的喷管红外成像计算方法，其特征在于，步骤(2)包括：
1)采用一阶精度有限体积法离散不同传播方向的辐射传输方程；
2)采用共轭梯度法对离散后的辐射传输方程系数矩阵进行求解，得到喷管内部高温气体辐射亮度；
3)将喷管固壁的壁面划分成网格单元面，设定每个网格单元面的初始有效辐射亮度为边界条件，喷管固壁的有效辐射亮度表达式为：
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式中，η表示光谱波段，w表示喷管固壁，b表示黑体，εη,w表示喷管固壁的光谱发射率，Lb,η,w表示与喷管固壁同温度的黑体光谱辐射亮度，表示与喷管固壁相邻的高温气体的第i个方向的辐射亮度，为喷管固壁法向量，为第i个方向矢量，Ωi为第i个立体角；
4)求解所述辐射传输方程，根据每个网格单元面的有效辐射亮度，经迭代计算得到最终喷管固壁有效辐射亮度。
4.如权利要求2所述的喷管红外成像计算方法，其特征在于，步骤(3)采用射线追踪法求解喷管到红外成像探测器的辐射传输包括：
a)将成像平面根据红外成像探测器划分网格；
b)从任一成像网格点出发逆着光线传播方向进行反向射线追踪；
c)若追踪到喷管固壁的某网格单元面，则以网格单元面上的有效辐射亮度值为初值，再沿着光线传播方向进行正向射线追踪求解辐射传输方程，由此获得传输到红外成像探测器网格点的红外辐射亮度；如果追踪到边界外，则以0为初值沿着光线传播方向进行正向射线追踪求解辐射传输方程；如果反向追踪的射线未经过计算域，则将该像素的辐射亮度值置0，由此获得所述喷管和喷焰的红外成像。
5.如权利要求1-4任一所述的喷管红外成像计算方法，其特征在于，所述气体组分包括CO2和H2O。
6.如权利要求1所述的喷管红外成像计算方法，其特征在于，步骤(3)生成边界条件时，反射辐射值初始化为0。
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