CN111125869A - 一种动目标大气扰动特性仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种动目标大气扰动特性仿真方法，包括获取目标几何参数、建立目标三维模型、目标及流场求解区网格划分、设定流场计算条件、选定流场计算模型、获得目标大气扰动流场参数、计算流场折射率分布、根据Barron算子计算折射率梯度、利用Runge‑Kutta光线追迹计算扰动大气偏折传输路径、获得光线穿过扰动场的偏折角。本发明首次对地物光线穿过高速目标形成的大气扰动区，所产生的光线偏折进行仿真分析。本发明可用于大气层内飞行的任何目标的大气扰动仿真分析，可分析任意谱段的地物光线经过目标大气扰动区的偏折情况，也可分析不同谱段地物光线以不同入射角穿过目标的大气扰动区形成的偏折情况。本发明为目标大气扰动仿真分析提供一种新手段，可应用于大气扰动场特性研究。

Description

一种动目标大气扰动特性仿真方法
技术领域
本发明涉及一种动目标大气扰动特性仿真方法，是一种对大气层内目标高速运动引发的大气扰动特性仿真新方法，可仿真分析不同地物光线以不同入射角穿过目标大气扰动区形成的光线偏折情况，可为以光学手段实现大气扰动可视化观测提供设计输入，为大气扰动特性研究提供一种新的技术手段，可应用于高速运动目标气动外形优化、高速运动目标低分辨率大幅宽探测等，可适用于地物背景，突破气动特性必须在风洞内获取的局限性，大幅降低气动特性获取的难度及成本。
背景技术
大气层内高速运动目标高速飞行必将引起剧烈的大气扰动，大气扰动情况可直接反映高速运动目标的气动特性，但是大气扰动不可视。通常需在风洞中开展吹风试验以研究目标的气动特性，但是风洞尺寸有限，试验目标通常为缩比目标，不能完全真实反映目标全尺寸气动特性。而且，目标高速飞行引起的大气扰动范围很大，风洞出风口尺寸有限，不能有效模拟整个扰动区范围的大气来流。另外，目标与大气的相对运动状态不同，风洞中目标为静止状态、大气为运动状态，实际飞行中目标为运动状态、大气为近似静止状态。更为重要的是，地面风洞试验中流场可视化设备为纹影仪，受限于纹影仪口径问题，风洞试验仅能对部分区域的大气扰动进行可视化观测。所以，利用风洞试验对大气层内高速运动目标的大气扰动特性开展研究，具有很多局限性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种动目标大气扰动特性仿真方法，解决现有风洞手段获取高速运动目标大气扰动特性过程中存在的问题。
本发明的技术解决方案是：一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于步骤如下：
1)获取目标几何参数；
2)获取目标三维模型；
3)目标及流场求解区网格划分；
4)设定流场计算条件
5)选定流场计算模型；
6)获得目标大气扰动流场参数；
7)计算得到流场折射率分布；
8)根据Barron算子计算折射率梯度；
9)利用Runge-Kutta光线追迹计算扰动大气偏折传输路径；
10)获得光线穿过扰动场的偏折角。
所述步骤1)的具体过程为：根据目标实物进行三维扫描，以获取目标几何参数；或根据目标缩比实物模型进行三维扫描，以获取目标几何参数；或查找文献、公开报道中目标几何参数或图片，进行目标几何参数推演。
所述步骤2)的具体过程为：根据步骤1)获取的目标几何参数构建目标三维模型；或直接获取目标三维模型；所述目标三维模型为目标的外观三维模型，构建重点为目标外形特性，不涉及目标内部结构。
所述步骤3)的具体过程为：利用流场网格制作软件对目标三维模型以及目标大气扰动场区域进行网格划分，并根据目标三维外形细节特征、非细节特征以及目标运动过程中大气扰动突变区域、缓变区域特性对网格进行紧密、稀疏以及结构化、非结构化区分。
所述步骤4)的具体过程为：设定目标飞行条件和环境大气条件；所述目标飞行条件包括在大气层内的目标飞行高度、飞行速度、飞行姿态；所述环境大气条件包括在大气层内以目标为中心四周一定求解区域内的标准大气环境、湍流大气环境。
所述步骤5)的具体过程为：将步骤3)完成的目标三维模型及大气扰动区网格读入到流场计算软件中，并选定流场计算模型、流场计算边界条件；其中湍流模型选择k-e模型、流场求解选择LHS和RHS，流场计算边界条件选择远场边界、气体和壁面边界。
所述步骤6)的具体过程为：对流场进行求解，获得目标大气扰动流场参数，包括：流场内每一网格节点处的密度、压力、温度。
所述步骤7)的具体过程为：利用步骤6)获得的目标大气扰动流场参数，通过格拉斯通-戴尔公式求解得到目标大气扰动场内每一网格节点处的折射率分布；
所述格拉斯通-戴尔公式
Figure BDA0002268676300000031
式中n为气体折射率，ρ为气体密度，KG-D＝f(λ,T,P)为格拉斯通-戴尔常数。KG-D可通过参考文献获得；
为提升折射率计算精度，将某一网格点P(x,y,z)周围M个点的折射率代入np(x,y,z)，M为正整数，求解该点更高精度的折射率梯度结果；重复步骤7)，以完成流场内所有网格点的求解，得到所有网格点更高精度的折射率梯度分布；
流场中任一点P(x,y,z)折射率计算公式
Figure BDA0002268676300000032
其中，ni(i＝1,2,…)为P点周围空间点上的折射率值，
Figure BDA0002268676300000033
为(xj,yj,zj)点与P点的距离。
所述步骤8)的具体过程为：利用步骤7)计算得到的流场折射率分布结果，求解某点P(x,y,z)的折射率梯度分布；将P(x,y,z)点周围N个点的折射率代入Barron算子法，求解该P(x,y,z)点的折射率梯度。重复步骤8)，以完成流场内所有网格点的求解，得到所有网格点的折射率梯度分布；
Barron算子法具体过程为：
以x方向为例，取P(x,y,z)点沿x方向上邻近流场四点(xi-2,yj,zk)，(xi-1,yj,zk)，(xi+1,yj,zk)和(xi+2,yj,zk)的折射率用Barron算子法进行插值，得到流场中任一点(xi,yj,zk)沿(xi-2,yj,zk)方向的梯度值表达式：
Figure BDA0002268676300000041
其中，n为折射率，Δx为沿x方向点(xi,yj,zk)与点(xi-1,yj,zk)的距离。
同理，得到沿y和z方向的折射率梯度。
所述步骤9)的具体过程为：采用Runge-Kutta光线追迹方法，实时记录光线到达点坐标的方式，标记任意谱段地物光线以任意入射角进入大气扰动场的位置，利用步骤8)计算得到的折射率梯度以及光线偏折与折射率梯度关系式，获得光线在标记处偏折到下一点的位置；重复步骤9)，完成光线在整个流场内传输过程的求解，从而得到光线穿出整个大气扰动场时的出射角度。
光线偏折与折射率梯度关系式：
Figure BDA0002268676300000042
其中，εx为光线在x方向的偏折角，εy为光线在y方向的偏折角，n为折射率，
Figure BDA0002268676300000043
为折射率梯度，ξ和ξ1为光线穿过大气扰动场沿z方向的始末位置。
所述步骤10)的具体过程为：求解步骤9)得到的光线穿出整个大气扰动场时的出射角度与光线进入大气扰动场的入射角度的差值，获得光线穿过扰动场的偏折角。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)目前风洞实验存在以下问题：试验目标通常为缩比目标，不能完全真实反映目标全尺寸气动特性的问题；目标高速飞行引起的大气扰动范围很大，风洞出风口尺寸有限，不能有效模拟整个扰动区范围的大气来流的问题；目标与大气的相对运动状态不同的问题，即风洞中目标为静止状态、大气为运动状态，实际飞行中目标为运动状态、大气为近似静止状态；地面风洞试验中流场可视化设备受口径限制，风洞试验仅能对部分区域的大气扰动进行可视化观测的问题。本发明涉及一种动目标大气扰动特性仿真方法，将突破风洞内高速运动目标大气扰动测试的局限性，以地物为背景、大气为环境，可对在任意飞行工况下的全尺寸高速运动目标进行仿真分析。
(2)本发明首次实现对大气层内高速运动目标大气扰动特性仿真分析，本发明在应用于某一类目标时，经过校验与优化后，可替代风洞试验获取可视化的目标大气扰动特性图和数据。本发明适用于大气层内所有高速运动目标的大气扰动特性分析，在利用风洞数据校验、优化仿真分析模型基础上，提升本发明的仿真分析精度，可在不进行外场飞行试验情况下，获取高精度可视化的各类高速运动目标的大气扰动特性分布图及数据，用于高速运动目标的气动外形优化，可为静音式商用超音速飞机研发提供辅助测试手段，也可为高速运动目标低分辨率大幅宽探测提供支撑。
(3)本发明首次实现对任意谱段地物光线以任意入射角进入高速目标大气扰动区后形成的光线偏折情况的仿真分析。
附图说明
图1为本发明工作原理示意图；
图2为本发明Barron算子计算原理图；
图3为本发明Runge-Kutta计算原理图。
具体实施方式
本发明的一种动目标大气扰动特性仿真方法工作原理如图1所示，包括获取目标几何参数、建立目标三维模型、目标及流场求解区网格划分、设定流场计算条件、选定流场计算模型、获得目标大气扰动流场参数、计算流场折射率分布、根据Barron算子计算折射率梯度、利用Runge-Kutta光线追迹计算扰动大气偏折传输路径、获得光线穿过扰动场的偏折角。本发明可为高速运动目标大气扰动特性获取提供一种除风洞外的一种新方法，可应用于高速运动目标的气动外形优化，为静音式商用超音速飞机研发提供辅助测试手段，也可应用于高速运动目标低分辨率大幅宽探测手段研究，为高速目标探测提供技术支撑。
本发明的一种动目标大气扰动特性仿真方法的计算折射率分布方法为：根据目标大气扰动流场参数(温度、密度、压力等)计算结果以及格拉斯通-戴尔公式(气体折射率与密度关系式)求解某一点的折射率。但是某一点折射率与其周围点的折射率相关，可采用插值方式求解，以提升流程内各点折射率计算的准确性。
格拉斯通-戴尔公式
Figure BDA0002268676300000061
其中，n为气体折射率，ρ为气体密度，KG-D＝f(λ,T,P)为格拉斯通-戴尔常数。KG-D可通过参考文献获得。
流场中任一点P(x,y,z)折射率计算公式
Figure BDA0002268676300000062
其中，ni(i＝1,2,…)为P点周围空间点上的折射率值，
Figure BDA0002268676300000063
为(xj,yj,zj)点与P点的距离。
本发明的一种动目标大气扰动特性仿真方法的Barron算子计算原理如图2所示，根据大气扰动流场中任意一点P(x,y,z)折射率值np(x,y,z)计算得到空间内任一点折射率梯度值。求解流场内任意一点折射率梯度值需要利用该点周围流场中其他多个点进行求解，采用Barron算子法进行计算。
以x方向为例，取P(x,y,z)点沿x方向上邻近流场四点(xi-2,yj,zk)，(xi-1,yj,zk)，(xi+1,yj,zk)和(xi+2,yj,zk)的折射率用Barron算子法进行插值，得到流场中任一点(xi,yj,zk)沿(xi-2,yj,zk)方向的梯度值表达式：
Figure BDA0002268676300000071
其中，n为折射率，Δx为沿x方向点(xi,yj,zk)与点(xi-1,yj,zk)的距离。
同理，得到沿y和z方向的折射率梯度。
Figure BDA0002268676300000072
其中，n为折射率，Δx为沿x方向点(xi,yj,zk)与点(xi-1,yj,zk)的距离，Δy为沿x方向点(xi,yj,zk)与点(xi,yj-1,zk)的距离，Δz为沿x方向点(xi,yj,zk)与点(xi,yj,zk-1)的距离。
本发明的一种动目标大气扰动特性仿真方法的Runge-Kutta计算原理如图3所示，利用流场中任一点折射率梯度求解光线偏折情况。地物光线进入大气扰动流场边界处的初始坐标和光线的初始传播方向为已知量。利用光线初始位置、初始传播方向以及光线在该处的偏折量，计算下一点光线的位置、传播方向，即完成一步光线追迹。在每一步追迹完成后，需要计算流场中该步末端点的折射率和折射率梯度，作为下一次追迹的起始条件，依次往后，直到完成整个光线追迹过程。
x方向偏折角与y方向偏折角：
Figure BDA0002268676300000073
其中，εx为光线在x方向的偏折角，εy为光线在y方向的偏折角，n为折射率，
Figure BDA0002268676300000074
为折射率梯度，ξ和ξ1为光线穿过大气扰动场沿z方向的始末位置。
本发明的一种动目标大气扰动特性仿真方法所涉及的运动目标可为大气层内飞行的任意运动目标，不受限于目标类型、目标飞行速度；可获得可视化的不同谱段地物光线以不同入射角穿过目标大气扰动区形成的光线偏折情况。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于步骤如下：
1)获取目标几何参数；
2)获取目标三维模型；
3)目标及流场求解区网格划分；
4)设定流场计算条件；
5)选定流场计算模型；
6)获得目标大气扰动流场参数；
7)计算得到流场折射率分布；
8)根据Barron算子计算折射率梯度；
9)利用Runge-Kutta光线追迹计算扰动大气偏折传输路径；
10)获得光线穿过扰动场的偏折角。
2.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤1)的具体过程为：根据目标实物进行三维扫描，以获取目标几何参数；或根据目标缩比实物模型进行三维扫描，以获取目标几何参数；或查找文献、公开报道中目标几何参数或图片，进行目标几何参数推演。
3.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤2)的具体过程为：根据步骤1)获取的目标几何参数构建目标三维模型；或直接获取目标三维模型；所述目标三维模型为目标的外观三维模型，构建重点为目标外形特性，不涉及目标内部结构。
4.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤3)的具体过程为：利用流场网格制作软件对目标三维模型以及目标大气扰动场区域进行网格划分，并根据目标三维外形细节特征、非细节特征以及目标运动过程中大气扰动突变区域、缓变区域特性对网格进行紧密、稀疏以及结构化、非结构化区分。
5.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤4)的具体过程为：设定目标飞行条件和环境大气条件；所述目标飞行条件包括在大气层内的目标飞行高度、飞行速度、飞行姿态；所述环境大气条件包括在大气层内以目标为中心四周一定求解区域内的标准大气环境、湍流大气环境。
6.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程为：将步骤3)完成的目标三维模型及大气扰动区网格读入到流场计算软件中，并选定流场计算模型、流场计算边界条件；其中湍流模型选择k-e模型、流场求解选择LHS和RHS，流场计算边界条件选择远场边界、气体和壁面边界。
7.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤6)的具体过程为：对流场进行求解，获得目标大气扰动流场参数，包括流场内每一网格节点处的密度、压力、温度。
8.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤7)的具体过程为：利用步骤6)获得的目标大气扰动流场参数，通过格拉斯通-戴尔公式求解得到目标大气扰动场内每一网格节点处的折射率分布；
所述格拉斯通-戴尔公式
Figure FDA0002268676290000021
式中n为气体折射率，ρ为气体密度，KG-D＝f(λ,T,P)为格拉斯通-戴尔常数。KG-D可通过参考文献获得；
为提升折射率计算精度，将某一网格点P(x,y,z)周围M个点的折射率代入np(x,y,z)，M为正整数；求解该点更高精度的折射率梯度结果；重复步骤7)，以完成流场内所有网格点的求解，得到所有网格点更高精度的折射率梯度分布；
流场中任一点P(x,y,z)折射率计算公式
Figure FDA0002268676290000031
其中，ni(i＝1,2,…)为P点周围空间点上的折射率值，
Figure FDA0002268676290000032
为(xj,yj,zj)点与P点的距离。
9.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤8)的具体过程为：利用步骤7)计算得到的流场折射率分布结果，求解某点P(x,y,z)的折射率梯度分布；将P(x,y,z)点周围N个点的折射率代入Barron算子法，求解该P(x,y,z)点的折射率梯度；重复步骤8)，以完成流场内所有网格点的求解，得到所有网格点的折射率梯度分布。
10.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤9)的具体过程为：采用Runge-Kutta光线追迹方法，实时记录光线到达点坐标的方式，标记任意谱段地物光线以任意入射角进入大气扰动场的位置，利用步骤8)计算得到的折射率梯度以及光线偏折与折射率梯度关系式，获得光线在标记处偏折到下一点的位置；重复步骤9)，完成光线在整个流场内传输过程的求解，从而得到光线穿出整个大气扰动场时的出射角度。
11.根据权利要求1所述的一种动目标大气扰动特性仿真方法，其特征在于：所述步骤10)的具体过程为：求解步骤9)得到的光线穿出整个大气扰动场时的出射角度与光线进入大气扰动场的入射角度的差值，获得光线穿过扰动场的偏折角。
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