超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法，包括以下步骤：仿真出涡流场，提取所述涡流场的密度场；根据所述密度场，确定所述涡流场中各涡的涡核位置；根据所述涡核位置，确定所述涡流场内无量纲的流场距离与其对应的涡半径的关系；根据所述涡流场内无量纲的流场距离与其对应的涡半径的关系，确定时间演化模型。有益效果：预测超声速混合层中旋涡引起的气动光学效应的时间演化，进而有助于降低嵌入自适应光学控制系统时对时序带宽的要求。时对时序带宽的要求。时对时序带宽的要求。

【技术实现步骤摘要】
超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法


[0001]本专利技术涉及激光
，尤其涉及一种超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法。

技术介绍

[0002]混合层，也称为剪切层，是指两种不同流体的平行流动或相同流体以不同速度流动。这些混合层通常存在于导弹、机载激光通信平台和机载激光装备系统的光学导引头中，这种剪切层在亚声速或者更高速度飞行时，会使得激光束由于流动中折射率变化而扭曲，造成波前像差，这种效应称为气动光学效应。
[0003]混合层比湍流边界层产生更强的湍流脉动，正是混合层内部大尺度的涡结构引起了显著的密度脉动。对采用光学导引头的飞行器而言，即使在亚声速下，也会对激光束产生显著的气动光学畸变，在超声速中，由于导引头受热，飞行器的头罩会受到强烈可压缩的湍流气动流场作用，这些效应导致导引头周围流场的局部折射率发生更严重的变化，因此超声速飞行时会发生更严重的光学畸变。近年来，混合层的可压缩性、增长速率和涡的形成与演化等物理特性在实验和数值上得到了广泛的研究。CN201510076363.8专利“一种超声速混合层控制方法”中，指出在混合层两股流的中间分隔板上粘贴扰动片来产生扰动，进而实现混合层气动光学的有效控制。Guangming Guo等人于2021年在Optics Communications上发表的r论文，采用大涡模拟方法对高速红外制导导弹光学窗口上超声速混合层的气动光学效应进行了模拟，提出了三个评价气动光学效果的指标并导出了流体密度波动与光束传输路径之间的定量关系。但这些工作都很少关注超声速混合层中涡引起的气动光学效应的时间演化，但这种时间演化对自适应光学控制系统至关重要，可以提供实时的气动光学像差信息来精确校正气动光学效应。超声速混合层流场中光学导引头附近的气动光学效应普遍存在，会对目标成像带来不利影响，如模糊、偏移、抖动等，降低了光学导引头探测、识别和跟踪目标的能力。自适应光学控制是目前校正气动光学效应最有前景的技术，但仍需要解决高时间带宽带来的挑战。由于超声速混合层的流场主要由不同大小的旋涡主导，而旋涡是光束穿过流场时产生气动光学效应的关键因素，因此，急需建立时间演化模型来预测超声速混合层中旋涡引起的气动光学效应的时间演化，进而有助于降低嵌入自适应光学控制系统时对时序带宽的要求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法。
[0005]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法，包括以下步骤：
[0007]仿真出涡流场，提取所述涡流场的密度场；
[0008]根据所述密度场，确定所述涡流场的涡核位置；
[0009]根据所述涡核位置，确定所述涡流场内无量纲的流场距离对应的涡半径；
[0010]根据所述涡半径，确定时间演化模型。
[0011]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述仿真出涡流场，提取所述涡流场的密度场的步骤还包括：
[0012]限定涡流场的流场宽度和流场长度，所述涡流场内设有一条高速流和一条低速流；
[0013]限定所述高速流的速度为第一速度，限定所述低速流的速度为第二速度，根据第一速度和第二速度，确定所述低速流和所述高速流的速度比；
[0014]确定所述低速流和所述高速流的密度比。
[0015]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述根据所述密度场，确定所述涡流场的涡核位置的步骤包括：
[0016]根据所述密度场，确定所述涡流场的折射率；
[0017]根据光的传播路径及所述折射率的积分，确定光程及其型线；
[0018]在所述型线上确定涡核位置。
[0019]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述根据所述涡核位置，确定所述涡流场内无量纲的流场距离与其对应的涡半径的关系的步骤包括：
[0020]根据所述型线和涡核位置，建立所述涡流场的二维圆形结构模型；
[0021]根据不同时刻的所述二维圆形结构模型上各所述涡核之间的涡半径增长率，确定第一系数；
[0022]根据所述第一系数、所述速度比、所述密度比，确定无量纲的流场距离对应的涡半径与所述无量纲的流场距离的比值。
[0023]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，根据所述第一系数、所述速度比、所述密度比，确定无量纲的流场距离对应的涡半径与所述无量纲的流场距离的比值满足以下关系：
[0024][0025]X`＝X/H；
[0026]其中，X表示流场长度，H表示流场宽度，X`表示无量纲的流场距离，R(X`)表示无量纲的流场距离X`对应的涡半径，k表示第一系数，r表示速度比，s表示密度比。
[0027]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述根据所述密度场，确定所述涡流场的涡核位置的步骤还包括：
[0028]根据所述光程及其空间平均值，确定光程差。
[0029]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述根据所述涡流场内无量纲的流场距离与其对应的涡半径的关系，确定时间演化模型的步骤包括：
[0030]确定无量纲的流场距离对应的时间周期；
[0031]确定无量纲的流场距离对应的气动光学效应值、气动光学效应平均值和峰值；
[0032]根据所述时间周期、气动光学效应值、气动光学效应平均值和峰值，确定所述气动
光学效应值在t时刻的时间演化模型。
[0033]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述确定无量纲的流场距离对应的时间周期的步骤包括：
[0034]根据所述第一速度、第二速度、所述第一速度对应的第一声速及所述第二速度对应的第二声速，确定理论对流速度；
[0035]根据所述理论对流速度和无量纲的流场距离对应的涡半径，确定所述时间周期。
[0036]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述确定无量纲的流场距离对应的气动光学效应平均值和峰值的步骤包括：
[0037]根据所述无量纲的流场距离对应的混合层厚度，确定气动光学效应值；
[0038]根据所述无量纲的流场距离对应的涡半径，确定光束经过所述涡的总次数；
[0039]根据所述总次数和所述气动光学效应值，确定气动光学效应平均值。
[0040]在上述超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法的优选实施方案中，所述气动光学效应值在t时刻的时间周期SR(t)的表达式为：
[0041][0042]其中，表示气动光学效应平均值，A
SR
表示峰值，t表示时间、T(X`)表示所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：仿真出涡流场，提取所述涡流场的密度场；根据所述密度场，确定所述涡流场中各涡的涡核位置；根据所述涡核位置，确定所述涡流场内无量纲的流场距离与其对应的涡半径的关系；根据所述涡流场内无量纲的流场距离与其对应的涡半径的关系，确定时间演化模型。2.根据权利要求1所述的超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法，其特征在于，所述仿真出涡流场，提取所述涡流场的密度场的步骤还包括：限定涡流场的流场宽度和流场长度，所述涡流场内设有一条高速流和一条低速流；限定所述高速流的速度为第一速度，限定所述低速流的速度为第二速度，根据第一速度和第二速度，确定所述低速流和所述高速流的速度比；确定所述低速流和所述高速流的密度比。3.根据权利要求2所述的超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法，其特征在于，所述根据所述密度场，确定所述涡流场中各涡的涡核位置的步骤包括：根据所述密度场，确定所述涡流场的折射率；根据光的传播路径及所述折射率的积分，确定光程及其型线；在所述型线上确定各涡的涡核位置。4.根据权利要求3所述的超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法，其特征在于，所述根据所述涡核位置，确定所述涡流场内无量纲的流场距离与其对应的涡半径的关系的步骤包括：根据所述型线和涡核位置，建立所述涡流场的二维圆形结构模型；根据不同时刻的所述二维圆形结构模型上各所述涡核的涡半径增长率，确定第一系数；根据所述第一系数、所述速度比、所述密度比，确定无量纲的流场距离对应的涡半径与所述无量纲的流场距离的比值。5.根据权利要求4所述的超声速混合层中气动光学效应的时间演化模型构建方法，其特征在于，根据所述第一系数、所述速度比、所述密度比，确定无量纲的流场距离对应的涡半径与所述无量纲的流场距离的比值满足以下关系：X`＝X/H；其中，X表示流场长度，H表示流场宽度，X`表示无量...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，高政旺，武春风，姜永亮，胡黎明，韩西萌，童曌，刘利民，杨小强，胡金萌，
申请(专利权)人：中国航天三江集团有限公司，
类型：发明
国别省市：