Диссертация (Математическое моделирование пространственного распределения лучистой энергии от сложного излучателя)

Московский авиационный институт(Национальный исследовательский университет)На правах рукописиФИЛИППОВ Глеб СергеевичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ ОТ СЛОЖНОГОИЗЛУЧАТЕЛЯСпециальность 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:к.т.н., доцент Николаенко В.С.Москва – 20142Список сокращенийИК - инфракрасныйЛА - летательный аппаратДУ - двигательная установкаМФУ - многофункциональное устройствоПВРД - прямоточный воздушно-реактивный двигательПК - персональный компьютерПО - программное обеспечениеТВГ - температура выхлопных газовТРД - турбореактивный двигательЭВМ - электронно-вычислительная машинаСК - система координатНУ - начальные условия3СодержаниеСписок сокращений ............................................................................................

2Содержание .......................................................................................................... 3Введение ............................................................................................................... 5Глава 1. Моделирование прямого излучения лучистой энергии элементовреактивного сопла ДУ ЛА ................................................................................ 231.1. Определение тепловой модели сложного излучателя ..................... 231.1.1. Базовые уравнения ............................................................................ 241.1.2. Моделирование турбулентных течений .........................................

261.2. Геометрия расчётной области ................................................................ 271.3. Взаимодействие ИК - излучения с различными средами ................... 301.3.1. Отражение и преломление излучения ............................................. 301.3.2. Поглощение и рассеяние излучения ................................................ 321.3.3. Влияние атмосферы на ИК излучение ............................................ 341.4.

Анализ излучения газовой струи ........................................................... 361.5. Постановка задачи и обоснование выбора методики расчёта ............ 421.6. Расчёт прямого излучения элементов внутренней поверхности ДУЛА..................................................................................................................... 441.6.1. Используемый алгоритм расчёта ..................................................... 441.6.2.

Определение основных исходных данных, необходимых длярасчёта прямого излучения поверхности сопла ....................................... 481.6.3 Алгоритм расчёта прямого излучения элементов сопла ДУ ......... 511.7. Результаты числительных экспериментов моделирования прямогоизлучения внутренней поверхности ДУ ...................................................... 561.7.1. Описание программы расчёта Thermal Radiation прямогоизлучения двигательной установки летательного аппарата ................... 561.7.2.

Результаты численных экспериментов моделирования прямогоизлучения внутренней поверхности сопла в различных режимах иконфигурациях. ............................................................................................ 59Глава 2. Моделирование прямого излучения лучистой энергии элементовтурбины и центрального эллипсоидного тела ДУ ЛА .................................. 652.1.

Физическая и математическая модель задачи ...................................... 652.1.1. Определение основных исходных данных, необходимых длярасчёта прямого излучения поверхности кока ......................................... 652.1.2. Определение основных исходных данных, необходимых длярасчёта прямого излучения турбины......................................................... 672.1.3.

Алгоритм расчёта прямого излучения элементов ДУ ................... 682.2. Результаты числительных экспериментов по моделированиюпрямого излучения турбины и кока ДУ ....................................................... 742.2.1. Описание программы расчёта Thermal Radiation прямогоизлучения турбины и кока ДУ ЛА ............................................................. 742.2.2. Результаты численных экспериментов моделирования прямогоизлучения турбины и кока ДУ ЛА в различных режимах и4конфигурациях сопла. ................................................................................. 80Глава 3.

Математическое моделирование отражённого излучения сложногоизлучателя .......................................................................................................... 913.1. Физическая и математическая модель задачи ...................................... 913.1.1. Построение математической модели и способы задания исходныхданных системы излучатель – приемник излучения. ..............................

923.1.2. Используемый алгоритм расчёта ..................................................... 983.2. Результаты вычислительных экспериментов по математическомумоделированию отражённого излучения сложного излучателя ............. 1013.3.Математическое моделирования излучения ДУ АЛ-31Ф в ИКдиапазоне. ...................................................................................................... 1073.4. Сравнение метода Монте-Карло и метода направляющих косинусов......................................................................................................................... 1123.5. Сравнение расчёта прямого и отражённого излучения, рассчитанногометодом Монте-Карло для модели ДУ ЛА.

............................................... 1133.6. Проверка алгоритма расчётной модели .............................................. 1153.6.1. Расчёт пространственного распределения лучистой энергии отцилиндрического источника излучения и двух тарельчатыхотражателей ................................................................................................ 1153.6.2.

Экспериментальная проверка программы Thermal Radiationрасчёта пространственного распределения лучистой энергии от ДУТС21 ............................................................................................................ 119Основные результаты и выводы .................................................................... 123Список использованной литературы ............................................................. 125Приложение. .................................................................................................... 1335ВведениеАктуальность проблемы.Современные технологии отслеживания и контроля летательныхаппаратов (ЛА), включающие в себя зенитные управляемые ракеты соптическими головками самонаведения, постоянно совершенствуются.Поэтому,припроектированииновойавиационнойтехники,конструкторским бюро необходимо уделять серьёзное внимание системезащиты ЛА от поражения.

Более 40 гражданских самолётов былипоражены переносными зенитно-ракетными комплексами (ПЗРК) с 1970года, 25 из которых разбились [79]. Защита ЛА является одной изважнейших научных и технических проблем XXI века, в финансированиекоторой развитые страны вкладывают огромные средства [1-3].После Второй Мировой войны, США и СССР стали вести активнуюразработку программ ПЗРК. В результате конкурентного развития, к 1967году дешевые и простые в использовании ПЗРК распространились повсему миру, что оказалось серьезной угрозой для низколетящих ЛА. Болеемиллиона ПЗРК было произведено и около 500 тысяч ракет находится вобращении на сегодняшний день.Системы наведения средств поражения используют фотоприёмники,чувствительные к излучению в области инфракрасного (ИК) спектра.Заметность объекта для ИК аппаратуры определяется разницей междуизлучением ЛА (собственным и отражённым) и излучением фона.Главными источниками излучения самолетов являются детали двигателя,нагретые до высокой температуры, струя выхлопных газов, хвостоваячасть фюзеляжа, аэродинамическое нагревание внешней поверхности ЛА,отражённое атмосферное излучение, земли и солнца (рис.1.1) [80].6Рис.

1.1. Основные источники ИК излучения ЛА.Нахождение способа уменьшения излучения в ИК-диапазонестановится немаловажной проблемой, подходы к решению которойразрабатываются уже давно. К существующим способам снижения ИКзаметности для ЛА является модификации геометрии выхлопных газовдвигателя для повышения смешивания выхлопных газов с атмосферой [8191],электрическоеотопление[92],использованиеспециальнойохлаждающий жидкости [93], химическая обработка поверхности ЛА [9495] и т.д.Теоретическойосновойинтегро-дифференциальноепереносауравнениелучистойпереносаэнергииявляетсяизлучениядляспектральной яркости I  I (r,t,, n) :dI / ds   I    (n  n) I (r , t , , n)d n  Q(r , n) ,1где d / ds  n  g  / t - производная вдоль луча, Q – функция источников,     S - коэффициент, в котором   коэффициент поглощениясреды  S -коэффициент рассеяния,  (n  n) - сечение рассеяния.7Особое место теория переноса излучения занимает для задачаэрокосмической техники, и применяется для расчёта излучения струйпродуктовсгоранияэнергетическихлюбыхустройствах,типовдвигателей,тепловойзащитытеплообменавмежпланетныхивозвращаемых на Землю космических аппаратов.Излучение абсолютно чёрного тела является функцией частоты иабсолютной температуры и определяется законом Планка (система СГС:2h 31I ( , T )  2 h kT,c e1где I ( , T ) - мощность излучения на единицу площади излучающейповерхностивединичноминтервалечастотвперпендикулярномнаправлении на единицу телесного угла, ν — частота излучения, T —абсолютная температура излучающего тела, h — постоянная Планка, k —постоянная Больцмана, c — скорость света в вакууме.Для решения вышеуказанных задач необходимы современныемодели и алгоритмы расчёта.