气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模、求解方法、系统及终端

1.本发明属于飞行器尾焰光谱辐射特性分析技术领域，尤其涉及一种气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模、求解方法、系统及终端。


背景技术：

2.飞行器尾焰一般由燃料燃烧后的产物、未充分燃烧的燃料和大气中的气体分子组成，其主要组分为二氧化碳、水、氢、氧、碳、氮及氧化铝粒子等。由于尾焰温度较高，其中的气体组分常处于热化学非平衡态，多组分气体碰撞后将发生内能级激发、电离、离解及复合等一系列复杂的物理化学过程，在此期间将会有某些气体在某些特定波段向外进行光谱辐射(例如二氧化碳在4.1μm～4.5μm和水在2.5μm～3.1μm均会产生红外光谱辐射)。另外，在高温高压下，尾焰中氧化铝粒子和气体分子会产生一系列耦合作用，进而改变尾焰的吸收特性、发射特性及散射特性。
3.hyun jae nam,oh joon kwon发表的《infrared radiation modeling of no,oh,co,h2o,and co
2 for emissivity/radiance prediction at high temperature》，该论文利用结构化辐射分析包spradian07以及气体分子光谱参数，基于逐线法设计了no、oh、co、h2o和co2分子的红外辐射传输模型，计算了火箭尾焰的红外光谱辐射特性。但是并没有考虑到尾焰中氧化铝粒子散射及辐射特性，则尾焰的光谱辐射强度将会被低估。
4.ju yong ko，euntaek lee等发表的《influence of optical properties of alumina particles on the radiative base heating from solid rocket plume》，在该论文中研究了固体火箭尾焰辐射特性随氧化铝粒子光学特性的变化情况，但是并没有同时考虑气体分子和固体粒子以及它们的耦合作用对飞行器尾焰光谱辐射特性的影响。
5.quentin binauld,jean-michel lamet等发表的《numerical simulation of radiation in high altitude solid propellant rocket plumes》，该论文研究了尾焰中气体分子和氧化铝粒子的动量和能量交换，认为尾焰中气体分子和固体粒子的耦合作用会对尾焰流场的介质属性产生影响，进而影响尾焰的辐射特性，因此建议在建模固体推进剂火箭尾焰的辐射模型时应充分考虑气固耦合作用。但是在理论上并没有给出气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程以及对应的求解算法。
6.飞行器尾焰中由于固体粒子和气体分子在高温下会产生一系列耦合作用，会形成新的尾焰介质参数(包括吸收特性、发射特性及散射特性)，进而改变尾焰的光谱辐射特性。在目前针对飞行器尾焰光谱辐射特性的研究中，有的学者仅考虑尾焰中气体的光谱辐射特性，或者仅考虑固体粒子辐射特性和散射特性。在含有气体辐射的光谱内，飞行器尾焰的红外光谱辐射特性主要由气体的光谱辐射特性决定；若仅考虑固体粒子的热辐射和散射特性，则尾焰的红外光谱辐射特性将明显失真；若仅考虑尾焰中的气体辐射特性，而忽略气固耦合作用，则尾焰的光谱辐射强度将会被低估。而有的学者研究了尾焰中气体分子和固体粒子形成的两相流及它们之间的耦合作用对尾焰辐射传输特性的影响，指出尾焰中固体粒
子和气体分子之间的耦合作用是不可忽视的，
7.然而，目前针对气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性的研究进展，在理论上还未有成熟完备的光谱辐射传输方程，在算法上也未有其对应可用的求解算法。
8.现有技术存在的问题及缺陷：目前，在对飞行器尾焰光谱辐射特性研究中，由于在含有气体辐射的光谱内，飞行器尾焰的红外光谱辐射特性主要由气体的光谱辐射特性决定，为了简化问题的复杂程度，大部分学者们仅考虑尾焰中的气体辐射，而有的学者仅考虑粒子辐射和散射特性。虽然简化了模型，并且在仅考虑气体分子或者仅考虑固体粒子时，都有其相对比较完备的光谱辐射传输方程及其求解算法，但是，仅考虑气体分子或者固体粒子都是会存在较大的误差的。尤其是在仅考虑固体粒子的热辐射和散射特性时，尾焰的红外光谱辐射特性将明显失真。而在仅考虑气体分子时，尾焰的红外光谱辐射强度会被低估。这样都是无法很好的逼近真实的尾焰，达不到一个更好的精度。即使有部分学者提出气体分子和固体粒子之间的耦合作用对飞行器尾焰光谱辐射是很重要的，但是并没有给出光谱辐射传输方程及其求解算法。
9.导致的技术性问题：在研究飞行器尾焰的光谱辐射特性中，没有一种简单而有效的方法去同时考虑气体分子和固体粒子及其两者之间的耦合作用，更没有简单而有效的算法去计算在气固耦合作用下尾焰的光谱辐射强度，不能很好的去逼近真实的尾焰，无法达到一个更好的精度。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模、求解方法、系统及终端，尤其涉及一种气固耦合下气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法、系统、介质、设备及终端。
11.本发明是这样实现的，一种气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模及其求解方法，所述气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法包括：基于辐射传输理论，引入气体分子和氧化铝固体粒子耦合下的尾焰辐射传输机理，建模气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程；在经典球谐离散坐标法中添加气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，实现气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输特性的求解。
12.①
基于辐射传输理论，引入气体分子和氧化铝固体粒子耦合下的尾焰辐射传输机理，建模气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程；
13.②
在经典球谐离散坐标法中添加气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，实现气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输特性的求解。
14.在第
①
中，是在辐射传输方程的基础上，引入了气体分子和固体粒子耦合作用下的尾焰辐射传输机理，通过进行一系列的推导，得到了最终的气固耦合下飞行器尾焰辐射传输方程。
15.在第
②
中，利用传统的球谐离散坐标法(shdom)，在该算法中加入气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，这样就能利用球谐离散坐标法去求解在
①
中推导的气固耦合下辐射传输方程。
16.进一步，所述建模气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程包括：
17.基于经典辐射传输理论，并结合气体分子和固体粒子相互耦合时的辐射传输机
理，建模适用于气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程。在设定的尾焰内一个微小区域内参与光谱辐射的物质组分中，固体粒子为氧化铝球形粒子，气体分子为在特定波段向外进行光谱辐射的特定气体分子；在位置s且辐射传输方向ω上取一微分体积，截面为da，长度ds；令在s处ω方向的光谱辐射强度为i
λ
(s,ω)，则在s+ds处ω方向的出射光谱辐射强度为i
λ
(s,ω)+di
λ
(s,ω)。
18.根据气固耦合下尾焰中气体分子和固体粒子的不同光谱辐射机理，光谱辐射强度的增量di
λ
(s,ω)表示为五个分量：
19.(1)气体分子发射的光谱辐射强度默认在局域热力学平衡状态下，满足基尔霍夫定理；
[0020][0021]
(2)气体分子吸收的光谱辐射强度其中，为气体的发射系数，为气体分子的吸收系数；
[0022]
(3)固体粒子发射的光谱辐射强度
[0023][0024]
(4)固体粒子吸收和散射的光谱辐射强度，是消光的光谱辐射强度
[0025]
(5)介质中其他单位体积中粒子散射到计算的单位体积内ω方向的散射光谱辐射强度：
[0026][0027]
其中，为固体粒子的吸收系数，为固体粒子的散射系数，为固体粒子的消光系数，且φ
particles
(s；λ；ω
′→
ω)为固体粒子的散射相函数；
[0028]
由于在同一微分体积中，默认处于局域热力学平衡态，所以其中的气体和固体粒子温度相同t
particles
＝t
gas
＝t，得气固耦合下尾焰的光谱辐射传输方程为：
[0029][0030]
进一步，所述建模气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程还包括：
[0031]
定义如下参量，用于表述气固耦合下尾焰的介质属性：
[0032]
(1)气固耦合下介质的吸收系数且
[0033]
(2)气固耦合下介质的消光系数且
[0034]
[0035]
(3)气固耦合下介质的散射反照率且
[0036][0037]
故气固耦合下尾焰的光谱辐射传输方程可表示为：
[0038][0039]
进一步，所述气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法包括以下步骤：
[0040]
步骤一，获取飞行器尾焰物理参数并对尾焰的计算域进行网格剖分；
[0041]
获取尾焰的物理参数，在计算光谱辐射特性时需要用到这些物理参数作为输入参数。网格剖分是对计算域离散化，将计算域剖分成网格，以便于后续的计算。
[0042]
步骤二，计算每个网格点中气固耦合后的介质参数；
[0043]
利用建模的过程中，对气固耦合后的介质参数的计算，求出气固耦合下的介质参数，作为输入数据，以便计算出每个网格点上的光谱辐射强度。
[0044]
步骤三，确定积分路径k及计算的网格点i，并计算离散坐标系下网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)；
[0045]
在计算光谱辐射强度之前，需要确定积分路径及开始计算的初始网格点i，以便确定计算的开始路径及网格点的位置。根据初始条件，计算初始网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)，以便计算网格点i的光谱辐射源函数。
[0046]
步骤四，根据网格点i的氧化铝粒子热辐射源函数、气体分子辐射源函数和内散射源函数，在球谐坐标系下，求解气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，并将网格点i的光谱辐射源函数转换到离散坐标系；
[0047]
在球谐坐标系下，可以较为方便的去计算气固耦合下的辐射传输方程的积分项。计算出气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，再转换到离散坐标系下，以便计算出网格点i+1处的光谱辐射强度。
[0048]
步骤五，在离散坐标系下对尾焰光谱辐射传输方程沿探测方向ω通过一个小微分体积的辐射强度进行求解，并给出沿探测方向ω通过一个小微分体积的网格点i+1处的光谱辐射强度i
λ
(i+1,ω)；
[0049]
该步骤可以计算出沿积分路径的下一个网格点即i+1处的光谱辐射强度，为计算边界上网格点的光谱辐射强度提供数据。
[0050]
步骤六，沿探测方向的积分路径上每个网格单元重复步骤三至步骤五，直至飞行器尾焰计算域的边界节点结束计算，存储边界网格点上的光谱辐射强度；
[0051]
该步骤是一直沿着积分路径上的网格点计算光谱辐射强度，并将边界上的网格点的光谱辐射强度保存，为后续计算在观测方向为ω时光谱辐射强度分布提供数据。
[0052]
步骤七，完成所有积分路径上光谱辐射强度的计算，并输出最终的尾焰光谱辐射强度结果。
[0053]
该步骤是将整个计算域上所有的积分路径上的网格点的光谱辐射强度计算完成，
这样就能得到在观测方向为ω时的整个尾焰的光谱辐射强度分布。
[0054]
进一步，所述步骤一中的飞行器尾焰物理参数获取包括：通过飞行器尾焰流场数据，获取尾焰的计算域尺寸、温度分布、压强分布、气体摩尔分数分布、氧化铝粒子尺寸分布和密度分布等物理参数；所述域尺寸包括长、宽和高。
[0055]
所述对尾焰的计算域进行网格剖分包括：确定尾焰计算域中的网格尺寸及每个网格内的相关物理参数，所述相关物理参数包括每个网格点的温度、压强、气体摩尔分数、氧化铝粒子尺寸及密度。
[0056]
进一步，所述步骤二中的计算每个网格点中气固耦合后的介质参数包括：基于mie理论和气体光谱辐射模型，计算每个网格点中气固耦合后介质的吸收系数、消光系数、散射反照率及氧化铝粒子的散射相函数。
[0057]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述气固耦合下气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法的飞行器尾焰光谱辐射特性建模及求解系统，所述飞行器尾焰光谱辐射特性建模及求解系统包括：
[0058]
物理参数获取模块，用于获取飞行器尾焰物理参数；
[0059]
网格剖分模块，用于对尾焰的计算域进行网格剖分；
[0060]
介质参数计算模块，用于计算每个网格点中气固耦合后的介质参数；
[0061]
光谱辐射强度计算模块，用于确定积分路径k及计算的网格点i，并计算离散坐标系下网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)；用于在离散坐标系下对尾焰光谱辐射传输方程沿探测方向ω通过一个小微分体积的辐射强度进行求解，并给出沿探测方向ω通过一个小微分体积的网格点i+1处的光谱辐射强度i
λ
(i+1,ω)；
[0062]
光谱辐射源函数求解模块，用于根据网格点i的氧化铝粒子热辐射源函数、气体分子辐射源函数和内散射源函数，在球谐坐标系下，求解气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，并将网格点i的光谱辐射源函数转换到离散坐标系；
[0063]
边界网格点光谱辐射强度计算存储模块，用于沿探测方向的积分路径上每个网格单元重复光谱辐射强度计算模块，直至飞行器尾焰计算域的边界节点结束计算，存储边界网格点上的光谱辐射强度；
[0064]
结果输出模块，用于完成所有积分路径上光谱辐射强度的计算，并输出最终的尾焰光谱辐射强度结果。
[0065]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述气固耦合下气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法的步骤。
[0066]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述气固耦合下气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法的步骤。
[0067]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模及求解系统。
[0068]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0069]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发
明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0070]
本发明基于辐射传输理论，引入了气体分子和氧化铝固体粒子耦合下的尾焰辐射传输机理，建模了气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程；在经典球谐离散坐标法中添加了气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，提出了一种可用于计算气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输特性的求解方法。
[0071]
在飞行器尾焰光谱辐射特性的研究中，若仅考虑固体粒子的热辐射和散射特性，则尾焰的红外光谱辐射特性将明显失真；若仅考虑尾焰中的气体辐射特性，而忽略气固耦合作用，则尾焰的光谱辐射强度将会被低估。所以仅单独考虑气体分子或固体粒子都不能很好的去分析飞行器尾焰的光谱辐射特性。
[0072]
在目前气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性的研究进展在理论上还未有成熟完备的光谱辐射传输方程，在算法上也未有其对应可用的求解算法。所以，本发明在飞行器尾焰光谱辐射特性的建模中同时考虑气体分子和固体粒子以及它们之间的耦合作用，并在理论上推导出了气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程。而且，本发明还在在经典球谐离散坐标法中添加了气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，提出了一种可用于计算气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输特性的求解算法。
[0073]
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0074]
本发明针对目前气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性的研究进展在理论上还未有成熟完备的光谱辐射传输方程，在算法上也未有其对应可用的求解算法，开发了一种气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模及其对应的求解算法。
[0075]
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0076]
(1)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
[0077]
即使现在有学者提出了气体分子和固体粒子的耦合作用在尾焰的光谱辐射特性的研究中是必要的(或是很重要的)，但是，在目前气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性的研究进展在理论上还未有成熟完备的光谱辐射传输方程，在算法上也未有其对应可用的求解算法。
[0078]
本发明的技术方案推导了在气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性的光谱辐射传输方程，并给出了其对应可用的求解算法。因此，本发明的技术方案增加了在气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性研究领域中的光谱辐射传输方程相关建模，并能够通过给出的算法对给出的气固耦合下光谱辐射传输方程进行求解。
[0079]
(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
[0080]
目前，由于众多学者在研究飞行器尾焰的光谱辐射特性中仅考虑气体分子或者固体粒子，而无法将两者之间的耦合作用考虑进去并进行建模及计算，使得在计算飞行器尾焰的光谱辐射特性中会发现无法更好的去逼近真实的尾焰。因此，本发明的技术方案能够解决希望解决的气固耦合下飞行器尾焰的光谱辐射特性的建模及计算的问题，使得能够更方便的去计算气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性。
附图说明
[0081]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0082]
图1是本发明实施例提供的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法流程图；
[0083]
图2是本发明实施例提供的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法原理图；
[0084]
图3是本发明实施例提供的气固耦合下飞行器尾焰中一微分体积的光谱辐射传输过程示意图；
[0085]
图4是本发明实施例提供的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解过程示意图；其中，图(a)为尾焰的物理属性，图(b)为尾焰计算域建模，图(c)为求解出的尾焰光谱辐射强度。
[0086]
图5是本发明实施例提供的在探测角为112度的black brant探空火箭尾焰红外辐射强度的物理特性图；其中图(a)文献中给出的black brant探空火箭尾焰红外光谱辐射强度，图(b)采用本技术的技术方案求解的black brant探空火箭尾焰红外光谱辐射强度。
[0087]
图6本发明实施例提供的black brant探空火箭尾焰红外光谱辐射强度对比图。
[0088]
图7本发明实施例提供的从火箭尾焰到drdc光谱成像传感器的大气透过率图。
[0089]
图8本发明实施例提供的drdc实验测量数据与气固耦合下尾焰的红外辐射数据对比图。
具体实施方式
[0090]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0091]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模、求解方法、系统及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0092]
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0093]
如图1所示，本发明实施例提供的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法包括以下步骤：
[0094]
s101，获取飞行器尾焰物理参数并对尾焰的计算域进行网格剖分；
[0095]
s102，计算每个网格点中气固耦合后的介质参数；
[0096]
s103，确定积分路径k及计算的网格点i，并计算离散坐标系下网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)；
[0097]
s104，根据网格点i的氧化铝粒子热辐射源函数、气体分子辐射源函数和内散射源函数，在球谐坐标系下，求解气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，并将网格点i的光谱辐射源函数转换到离散坐标系；
[0098]
s105，在离散坐标系下对尾焰光谱辐射传输方程沿探测方向ω通过一个小微分体积的辐射强度进行求解，并给出沿探测方向ω通过一个小微分体积的网格点i+1处的光谱辐射强度i
λ
(i+1,ω)；
[0099]
s106，沿探测方向的积分路径上每个网格单元重复s103至s105，直至飞行器尾焰计算域的边界节点结束计算，存储边界网格点上的光谱辐射强度；
[0100]
s107，完成所有积分路径上光谱辐射强度的计算，并输出最终的尾焰光谱辐射强度结果。
[0101]
作为优选实施例，如图2所示，本发明实施例提供的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法，具体包括以下步骤：
[0102]
1.建模气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程
[0103]
飞行器尾焰通常是一个具有发射、吸收和散射特性的轴对称介质，其中的气体分子和固体粒子均会参与辐射传输过程。因此，将基于经典辐射传输理论，并结合气体分子和固体粒子相互耦合时的辐射传输机理，建模一种适用于气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程。
[0104]
如图3所示，给出了尾焰内一个微小区域内参与光谱辐射的物质组分。其中，固体粒子为氧化铝球形粒子，气体分子为在特定波段向外进行光谱辐射的特定气体分子。在位置s且辐射传输方向ω上取一微分体积，其截面为da，长度ds。令在s处ω方向的光谱辐射强度为i
λ
(s,ω)，则在s+ds处ω方向的出射光谱辐射强度为i
λ
(s,ω)+di
λ
(s,ω)。
[0105]
根据气固耦合下尾焰中气体分子和固体粒子的不同光谱辐射机理，光谱辐射强度的增量di
λ
(s,ω)可以表示为下述五个分量：
[0106]
(1)气体分子发射的光谱辐射强度默认在局域热力学平衡状态下，满足基尔霍夫定理；
[0107][0108]
(2)气体分子吸收的光谱辐射强度其中，为气体的发射系数，为气体分子的吸收系数。
[0109]
(3)固体粒子发射的光谱辐射强度
[0110][0111]
(4)固体粒子吸收和散射的光谱辐射强度，也即消光的光谱辐射强度
[0112]
(5)介质中其他单位体积中粒子散射到计算的单位体积内ω方向的散射光谱辐射强度：
[0113][0114]
其中，为固体粒子的吸收系数，为固体粒子的散射系数，为固体粒子的消光系数，且φ
particles
(s；λ；ω
′→
ω)为固体粒子的散
射相函数。
[0115]
由于在同一微分体积中，默认其处于局域热力学平衡态，所以其中的气体和固体粒子温度相同t
particles
＝t
gas
＝t，可得气固耦合下尾焰的光谱辐射传输方程为：
[0116][0117]
为了进一步表述气固耦合下尾焰的介质属性，定义如下参量：
[0118]
(1)气固耦合下介质的吸收系数且
[0119]
(2)气固耦合下介质的消光系数且
[0120][0121]
(3)气固耦合下介质的散射反照率且
[0122][0123]
故气固耦合下尾焰的光谱辐射传输方程可表示为：
[0124][0125]
2.气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解算法
[0126]
在1中从理论上推导了气固耦合下尾焰的光谱辐射传输方程后，将从算法角度开发求解该光谱辐射传输方程的相关程序。在计算辐射传输方程时，传统球谐离散坐标法是最广泛使用的确定性求解算法，在过去主要用于计算大气红外和可见光辐射传输特性，其计算思路是将大气离散化、网格化并与球谐坐标相结合，去加速散射积分的计算速度，进而通过求解探测路径上每个网格内的源函数，进一步去求解大气的辐射强度。
[0127]
在目前广泛使用的球谐离散坐标算法程序中，辐射源仅可计算太阳辐射和热辐射，内散射源主要考虑气溶胶粒子、水或冰晶粒子的散射特性。而飞行器尾焰中的辐射源主要是氧化铝粒子热辐射和气体分子光谱辐射，通常不考虑太阳辐射；内散射源主要研究氧化铝粒子的散射特性。因此，将基于传统球谐离散坐标法，提出一种可用于计算气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性的求解算法。
[0128]
在新算法中将引入气固耦合下的光谱辐射机理，添加气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，将尾焰离散化、网格化并与球谐坐标相结合，通过计算传输路径上每个网格内的源函数，最终去求解气固耦合下飞行器尾焰的光谱辐射特性。图4给出了本发明实施例提出的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性的求解过程，为了突出尾焰的内部结构，图中尾焰仅描绘出左半结构，而在实际计算中的求解域为整个尾焰。
[0129]
结合图4所述，本发明实施例提出的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解算法的具体步骤如下：
[0130]
步骤一：飞行器尾焰物理参数获取
[0131]
通过飞行器尾焰流场数据，获取尾焰的计算域尺寸(长、宽和高)、温度分布、压强分布、气体摩尔分数分布、氧化铝粒子尺寸分布和密度分布等物理参数；
[0132]
步骤二：对尾焰的计算域进行网格剖分
[0133]
确定尾焰计算域中的网格尺寸及每个网格内的相关物理参数，主要包括每个网格点的温度、压强、气体摩尔分数、氧化铝粒子尺寸及密度；
[0134]
步骤三：计算每个网格点中气固耦合后的介质参数
[0135]
基于mie理论和气体光谱辐射模型，计算每个网格点中气固耦合后介质的吸收系数、消光系数、散射反照率及氧化铝粒子的散射相函数；
[0136]
步骤四：确定积分路径k及计算的网格点i，并计算离散坐标系下网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)；
[0137]
步骤五：根据网格点i的氧化铝粒子热辐射源函数、气体分子辐射源函数和内散射源函数，在球谐坐标系下，求解气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，并将网格点i的光谱辐射源函数转换到离散坐标系；
[0138]
步骤六：在离散坐标系下对尾焰光谱辐射传输方程沿探测方向ω通过一个小微分体积的辐射强度进行求解，并给出沿探测方向ω通过一个小微分体积的网格点i+1处的光谱辐射强度i
λ
(i+1,ω)。
[0139]
步骤七：沿探测方向的积分路径上，每个网格单元重复上述步骤四至六，直至飞行器尾焰计算域的边界节点结束计算，并存储边界网格点上的光谱辐射强度。
[0140]
步骤八：完成所有积分路径上光谱辐射强度的计算，并输出最终的尾焰光谱辐射强度结果。
[0141]
本发明实施例提供的飞行器尾焰光谱辐射特性建模及求解系统包括：
[0142]
物理参数获取模块，用于获取飞行器尾焰物理参数；
[0143]
网格剖分模块，用于对尾焰的计算域进行网格剖分；
[0144]
介质参数计算模块，用于计算每个网格点中气固耦合后的介质参数；
[0145]
光谱辐射强度计算模块，用于确定积分路径k及计算的网格点i，并计算离散坐标系下网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)；用于在离散坐标系下对尾焰光谱辐射传输方程沿探测方向ω通过一个小微分体积的辐射强度进行求解，并给出沿探测方向ω通过一个小微分体积的网格点i+1处的光谱辐射强度i
λ
(i+1,ω)；
[0146]
光谱辐射源函数求解模块，用于根据网格点i的氧化铝粒子热辐射源函数、气体分子辐射源函数和内散射源函数，在球谐坐标系下，求解气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，并将网格点i的光谱辐射源函数转换到离散坐标系；
[0147]
边界网格点光谱辐射强度计算存储模块，用于沿探测方向的积分路径上每个网格单元重复光谱辐射强度计算模块，直至飞行器尾焰计算域的边界节点结束计算，存储边界网格点上的光谱辐射强度；
[0148]
结果输出模块，用于完成所有积分路径上光谱辐射强度的计算，并输出最终的尾焰光谱辐射强度结果。
[0149]
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
[0150]
基于1997年在white sands进行black brant探空火箭发射实验的结果，采用本发明的技术方案建模的气固耦合下飞行器尾焰辐射传输方程及求解算法仿真计算black brant探空火箭尾焰的红外光谱辐射特性，并与实验结果进行对比。其相关数据是v rialland,a guy等发表的《infrared signature modelling ofa rocket jetplume-comparison with flight measurements》。
[0151]
可以得到以下结论：
[0152]
(1)本发明的技术方案仿真计算的尾焰红外光谱辐射强度与实验数据中尾焰红外光谱辐射强度的物理特征一致，也即尾焰长度均在45m，辐射强度的最大值均在离喷嘴口17m到20m的范围内，可初步证明本发明的技术方案建模的气固耦合下飞行器尾焰的光谱辐射传输模型的有效性和准确性。
[0153]
(2)在含有气体辐射的光谱内，尾焰的红外光谱辐射特性主要由气体的光谱辐射特性决定；若仅考虑固体粒子的热辐射和散射特性，则尾焰的红外光谱辐射特性将明显失真；若仅考虑尾焰中的气体辐射特性，而忽略气固耦合作用，则尾焰的光谱辐射强度将会被低估。总之，在研究尾焰的光谱辐射特性时，需深入研究气固耦合作用所产生的复杂光谱辐射机理，该结论可进一步证明建模气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输模型对研究尾焰的光谱辐射特性是非常有必要的。
[0154]
(3)本发明的技术方案仿真的气固耦合下black brant探空火箭尾焰红外光谱辐射强度与drdc实验测量结果一致，可最终证明本发明的技术方案建模的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程与求解算法在研究尾焰光谱辐射特性时是有效且准确的。
[0155]
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0156]
从上述文献中获取了black brant探空火箭的流场数据，包括尾焰的计算域尺寸、温度分布、气体组分、氧化铝粒子尺寸和粒子密度分布。
[0157]
根据上述初始条件，采用建模的气固耦合下尾焰光谱辐射传输方程及求解算法，以0.2μm为间隔仿真计算了2μm～5.2μm波段内black brant探空火箭尾焰的红外光谱辐射强度，相关仿真结果如下：
[0158]
(1)火箭尾焰红外光谱辐射强度的物理特征一致
[0159]
由图5中的(a)可知，当探测角为112度时(火箭头部方向是0度，尾部方向是180度)，black brant探空火箭尾焰红外光谱辐射强度的最大值在离喷嘴口17m到20m的范围内，尾焰长度为45m。从图5中的(b)可知，本发明的技术方案仿真求解的blackbrant探空火箭尾焰红外光谱辐射强度的最大值也在离喷嘴口17m到20m的范围内，尾焰长度为45m。根据上述对比分析可知，本发明的技术方案建立的气固耦合下的飞行器尾焰的光谱辐射传输模型是准确的。
[0160]
(2)火箭尾焰的红外光谱辐射强度结果吻合
[0161]
根据图6可知，在红外波段内，h2o气体分子的发射谱线范围为2.5μm～3.1μm，hcl气体分子的发射谱线范围为3.3μm～4μm,co2气体分子的发射谱线范围为4.1μm～4.5μm,co气体分子的发射谱线范围为5μm～5.2μm。仅考虑氧化铝固体粒子的热辐射和散射特性时，尾焰的红外光谱辐射强度很小；仅考虑气体辐射特性时，尾焰的红外光谱辐射强度明显增
大，且光谱辐射强度随气体辐射强度的增大而增大；同时考虑氧化铝固体粒子和气体分子相互耦合后的辐射特性(即气固耦合下的辐射特性)时，由于尾焰光学参数的改变，其红外光谱辐射强度将大于仅考虑气体辐射时的辐射强度。
[0162]
因此，在含有气体辐射的光谱内，尾焰的红外光谱辐射特性主要由气体的光谱辐射特性决定；但若仅考虑尾焰中的气体辐射特性，而忽略气固耦合作用，则尾焰的光谱辐射强度将会被低估。另外，根据图6可知，本发明的技术方案计算的气固耦合下的尾焰红外辐射强度和文献中尾焰红外辐射强度的结果吻合的较好，可进一步证明本发明的技术方案建模的气固耦合下的飞行器尾焰的光谱辐射传输方程与提出的算法在求解尾焰的光谱辐射特性时是有效且准确的。
[0163]
(3)仿真结果与drdc光谱成像实验测量结果一致
[0164]
图7给出了1997年在white sands进行black brant探空火箭发射实验时，从火箭尾焰到drdc光谱成像仪的大气透过率。要将仿真数据与实验测量数据进行对比，只需将本发明专利的技术方案仿真得到的气固耦合下尾焰的红外光谱辐射强度乘上从火箭尾焰到drdc光谱成像传感器的大气透过率。图8给出了drdc光谱实验测量数据与文献仿真数据及本发明的技术方案的仿真数据的对比结果。
[0165]
根据图7和图8可知，水和二氧化碳光谱吸收波段的大气透过率趋近于0，因此用光谱成像仪进行实验测量尾焰红外辐射特性时，其光谱辐射强度的峰值将会出现在4.5μm～5μm的波段范围内，而该结论在本发明的技术方案的仿真结果中也得到了体现。另外，与不考虑气固耦合情况的文献仿真结果相比，本发明的技术方案仿真结果与drdc实验测量结果更为相近，也进一步证明了本发明的技术方案建模的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程与求解算法的有效性和准确性。
[0166]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0167]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法，其特征在于，所述气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法包括：基于辐射传输理论，引入气体分子和氧化铝固体粒子耦合下的尾焰辐射传输机理，建模气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程；在经典球谐离散坐标法中添加气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，实现气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输特性的求解。2.如权利要求1所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法，其特征在于，所述建模气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程包括：基于经典辐射传输理论，并结合气体分子和固体粒子相互耦合时的辐射传输机理，建模适用于气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程；在设定的尾焰内一个微小区域内参与光谱辐射的物质组分中，固体粒子为氧化铝球形粒子，气体分子为在特定波段向外进行光谱辐射的特定气体分子；在位置s且辐射传输方向ω上取一微分体积，截面为da，长度ds；令在s处ω方向的光谱辐射强度为i
λ
(s,ω)，则在s+ds处ω方向的出射光谱辐射强度为i
λ
(s,ω)+di
λ
(s,ω)；根据气固耦合下尾焰中气体分子和固体粒子的不同光谱辐射机理，光谱辐射强度的增量di
λ
(s,ω)表示为五个分量：(1)气体分子发射的光谱辐射强度默认在局域热力学平衡状态下，满足基尔霍夫定理；(2)气体分子吸收的光谱辐射强度其中，为气体的发射系数，为气体分子的吸收系数；(3)固体粒子发射的光谱辐射强度(3)固体粒子发射的光谱辐射强度(4)固体粒子吸收和散射的光谱辐射强度，是消光的光谱辐射强度(5)介质中其他单位体积中粒子散射到计算的单位体积内ω方向的散射光谱辐射强度：其中，为固体粒子的吸收系数，为固体粒子的散射系数，为固体粒子的消光系数，且φ
particles
(s；λ；ω
′→
ω)为固体粒子的散射相函数；由于在同一微分体积中，默认处于局域热力学平衡态，所以其中的气体和固体粒子温度相同t
particles
＝t
gas
＝t，得气固耦合下尾焰的光谱辐射传输方程为：
3.如权利要求1所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法，其特征在于，所述建模气固耦合下飞行器尾焰的辐射传输方程还包括：定义如下参量，用于表述气固耦合下尾焰的介质属性：(1)气固耦合下介质的吸收系数且(2)气固耦合下介质的消光系数且(3)气固耦合下介质的散射反照率且故气固耦合下尾焰的光谱辐射传输方程可表示为：4.如权利要求1所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法，其特征在于，所述气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法包括以下步骤：步骤一，获取飞行器尾焰物理参数并对尾焰的计算域进行网格剖分；步骤二，计算每个网格点中气固耦合后的介质参数；步骤三，确定积分路径k及计算的网格点i，并计算离散坐标系下网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)；步骤四，根据网格点i的氧化铝粒子热辐射源函数、气体分子辐射源函数和内散射源函数，在球谐坐标系下，求解气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，并将网格点i的光谱辐射源函数转换到离散坐标系；步骤五，在离散坐标系下对尾焰光谱辐射传输方程沿探测方向ω通过一个小微分体积的辐射强度进行求解，并给出沿探测方向ω通过一个小微分体积的网格点i+1处的光谱辐射强度i
λ
(i+1,ω)；步骤六，沿探测方向的积分路径上每个网格单元重复步骤三至步骤五，直至飞行器尾焰计算域的边界节点结束计算，存储边界网格点上的光谱辐射强度；步骤七，完成所有积分路径上光谱辐射强度的计算，并输出最终的尾焰光谱辐射强度结果。5.如权利要求4所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法，其特征在于，所述步骤一中的飞行器尾焰物理参数获取包括：通过飞行器尾焰流场数据，获取尾焰的计算域尺寸、温度分布、压强分布、气体摩尔分数分布、氧化铝粒子尺寸分布和密度分布等物理
参数；所述域尺寸包括长、宽和高；所述对尾焰的计算域进行网格剖分包括：确定尾焰计算域中的网格尺寸及每个网格内的相关物理参数，所述相关物理参数包括每个网格点的温度、压强、气体摩尔分数、氧化铝粒子尺寸及密度。6.如权利要求4所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法，其特征在于，所述步骤二中的计算每个网格点中气固耦合后的介质参数包括：基于mie理论和气体光谱辐射模型，计算每个网格点中气固耦合后介质的吸收系数、消光系数、散射反照率及氧化铝粒子的散射相函数。7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法的飞行器尾焰光谱辐射特性建模及求解系统，其特征在于，所述飞行器尾焰光谱辐射特性建模及求解系统包括：物理参数获取模块，用于获取飞行器尾焰物理参数；网格剖分模块，用于对尾焰的计算域进行网格剖分；介质参数计算模块，用于计算每个网格点中气固耦合后的介质参数；光谱辐射强度计算模块，用于确定积分路径k及计算的网格点i，并计算离散坐标系下网格点i的光谱辐射强度i
λ
(i,ω)；用于在离散坐标系下对尾焰光谱辐射传输方程沿探测方向ω通过一个小微分体积的辐射强度进行求解，并给出沿探测方向ω通过一个小微分体积的网格点i+1处的光谱辐射强度i
λ
(i+1,ω)；光谱辐射源函数求解模块，用于根据网格点i的氧化铝粒子热辐射源函数、气体分子辐射源函数和内散射源函数，在球谐坐标系下，求解气固耦合下网格点i的光谱辐射源函数，并将网格点i的光谱辐射源函数转换到离散坐标系；边界网格点光谱辐射强度计算存储模块，用于沿探测方向的积分路径上每个网格单元重复光谱辐射强度计算模块，直至飞行器尾焰计算域的边界节点结束计算，存储边界网格点上的光谱辐射强度；结果输出模块，用于完成所有积分路径上光谱辐射强度的计算，并输出最终的尾焰光谱辐射强度结果。8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～6任意一项所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～6任意一项所述的气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性求解方法的步骤。10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求7所述的飞行器尾焰光谱辐射特性建模及求解系统。

技术总结
本发明属于飞行器尾焰光谱辐射特性分析技术领域，公开了一种气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射特性建模、求解方法、系统及终端，基于辐射传输理论，引入气体分子和氧化铝固体粒子耦合下的尾焰辐射传输机理，建模气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程；在经典球谐离散坐标法中添加气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，实现气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输特性的求解。本发明在飞行器尾焰光谱辐射特性的建模中同时考虑气体分子和固体粒子以及它们之间的耦合作用，并在理论上推导出气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输方程；在经典球谐离散坐标法中添加了气固耦合后尾焰光学参数的计算模块，提出了可用于计算气固耦合下飞行器尾焰光谱辐射传输特性的求解算法。光谱辐射传输特性的求解算法。光谱辐射传输特性的求解算法。


技术研发人员：李京英 陈杨 李金录 白璐 许月圆
受保护的技术使用者：西安邮电大学
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/11/1