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(lèi)對(duì)高超聲速飛行的研究便開(kāi)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(guò)程中達(dá)到的高超聲速，各航空大國(guó)積極投入研究的臨近空間高超聲速飛行器，在帶來(lái)先進(jìn)性的同時(shí)，也帶來(lái)了不可忽視的問(wèn)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(chǎng)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(chǎng)形成一團(tuán)電離氣體，稱(chēng)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(duì)飛行器與地面的通訊以及雷達(dá)對(duì)飛行器的探測(cè)識(shí)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(duì)飛行任務(wù)的安全性乃至成功與否帶來(lái)隱患。針對(duì)這一現(xiàn)象，研究者們從等離子體鞘套的流場(chǎng)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(duì)高超聲速飛行帶來(lái)的種種問(wèn)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(jì)算網(wǎng)格，通過(guò)求解積分形式的流體

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

4、全氣體流場(chǎng)仿真程序的基礎(chǔ)上，引入熱動(dòng)力學(xué)模型和化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，使其能夠進(jìn)行熱非平衡、化學(xué)非平衡流場(chǎng)的數(shù)值仿真計(jì)算。采用雙溫度模型以及不同的七組元化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)熱力學(xué)非平衡以及化學(xué)非平衡繞流流場(chǎng)進(jìn)行求解，形成對(duì)高超聲速熱化學(xué)非平衡流場(chǎng)的計(jì)算程序，計(jì)算采用不同化學(xué)反應(yīng)模型得到的流場(chǎng)分布并進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)現(xiàn)有文獻(xiàn)中提供的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了程序進(jìn)行熱動(dòng)力學(xué)非平衡和化學(xué)非平衡流場(chǎng)計(jì)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(guò)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(duì)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(duì)電磁波傳播的影響，以及存在外加磁場(chǎng)時(shí)電磁波在離子體層中的傳播。以解決通訊黑障問(wèn)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(wèn)題提供理論參考。進(jìn)行不同飛行場(chǎng)景下圓球繞流流體的計(jì)算，場(chǎng)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