基于快速逐线计算模型的高超声速羽流红外辐射计算方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30778

专栏

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

基于快速逐线计算模型的高超声速羽流红外辐射计算方法

徐建宇¹, 周莉¹^,²(), 王占学¹^,², 是介¹, 史毫¹

^1.西北工业大学动力与能源学院，西安 710129
^2.先进航空发动机协同创新中心，北京 100191

收稿日期:2024-06-03 修回日期:2024-06-27 接受日期:2024-08-12 出版日期:2024-08-26 发布日期:2024-08-20
通讯作者: 周莉 E-mail:zhouli@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52376032);陕西省杰出青年科学基金(2021JC-10);国家科技重大专项（J2019-Ⅱ-0015-0036）;航空发动机及燃气轮机基础科学中心项目（P2022-B-I-002-001,P2022-B-Ⅱ-010-001）;中央高校基本科研业务费专项资金(501XTCX2023146001)

Calculation method for hypersonic plume infrared radiation based on a fast line-by-line calculation model

Jianyu XU¹, Li ZHOU¹^,²(), Zhanxue WANG¹^,², Jie SHI¹, Hao SHI¹

^1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China
^2.Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China

Received:2024-06-03 Revised:2024-06-27 Accepted:2024-08-12 Online:2024-08-26 Published:2024-08-20
Contact: Li ZHOU E-mail:zhouli@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52376032);Funds for Distinguished Young Scholars of Shaanxi Province(2021JC-10);National Science and Technology Major Project （J2019-?Ⅱ?-0015-0036）;Science Center for Gas Turbine Project （P2022-B-I-002-001, P2022-B-?Ⅱ?-010-001）;the Fundamental Research Funds for the Central Universities(501XTCX2023146001)

摘要/Abstract

摘要：

为对临近空间高超声速飞行器羽流的红外辐射特性进行研究，构建了适用于临近空间羽流流场的红外辐射特性计算方法。首先采用非线性耦合本构关系模型对羽流流场进行数值仿真，检验了流场计算模型的准确性。其次采用全因子试验设计，通过逐线计算物理模型获取了46 200组流场特性参数与吸收系数的数据，训练获得基于BP神经网络的快速逐线计算模型，模型最大平均绝对误差和决定系数分别为0.003 65和0.999 4，相比逐线计算物理模型计算速度提升了4个数量级。最后结合逆蒙特卡洛方法作为红外辐射传输方法，建立了高超声速飞行器羽流的红外辐射计算方法。采用建立的流场和红外辐射计算方法针对类X-51A飞行器巡航状态下羽流红外辐射特性进行了研究。研究表明，临近空间下高超声速羽流呈现出外热流包裹冷内流的现象，羽流边缘滞止区红外辐射更强，红外成像中呈现“剪刀”状，剪切层的变化影响羽流红外成像的特征。

关键词: 高超声速羽流, 非线性耦合本构关系, 逐线计算法, 深度学习, 逆向蒙特卡洛方法, 红外辐射

Abstract:

To investigate the infrared radiation characteristics of plumes of hypersonic vehicles in near space， a computational methodology for the flow field of the near space plume infrared radiation was developed. Initially， the numerical simulation of the plume flow field is carried out by using the nonlinear coupling constitutive relationship model， and the accuracy of the flow field calculation model is verified. Subsequently， a comprehensive dataset consisting of 46 200 sets of flow field characteristic parameters and absorption coefficients was generated using a line-by-line calculation physical model， informed by a full-factorial experimental design. This dataset was employed to train an accelerated line-by-line calculation model based on a BP neural network. The trained model demonstrated a maximum mean absolute error of 0.003 65 and an R² value of 0.999 4， achieving computational speeds four times faster than the traditional line-by-line calculation physical model. Finally， combined with the Backward Monte Carlo method as the infrared radiation transmission method， the infrared radiation calculation method of the hypersonic vehicles plume flow field is established. The infrared radiation characteristics of the plume under the cruising state of X-51A aircraft were studied by using the established flow field and infrared radiation calculation methods. The findings indicate that hypersonic plumes in near space exhibit a phenomenon where external heat flow envelops a cooler internal flow. Furthermore， the infrared radiation is stronger in the stagnation region at the plume’s periphery， resulting in a “scissors” pattern in infrared imaging. Variations in the shear layer significantly influence the infrared imaging characteristics of the plume.

Key words: hypersonic plume, nonlinear coupled constitutive relations, line by line method, deep learning, backward Monte Carlo method, infrared radiation

中图分类号:

V231

徐建宇, 周莉, 王占学, 是介, 史毫. 基于快速逐线计算模型的高超声速羽流红外辐射计算方法[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 630778.

Jianyu XU, Li ZHOU, Zhanxue WANG, Jie SHI, Hao SHI. Calculation method for hypersonic plume infrared radiation based on a fast line-by-line calculation model[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(8): 630778.

图/表 24

图 1

表1

图 2

图 3

图 4

图 5

表2

图 6

表3

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表4

羽流化学反应动力式

化学反应	正向反应速率	反向反应速率
$O + O + M → O 2 + M$	3.0×10^-34exp（900/T）	4.23×10^-9exp（-58 950/T）
$O + H + M → O H + M$	1.0×10^-29T^-1	1.14×10^-5T^-1exp（-51 610/T）
$H + O H + M → H 2 O + M$	1.0×10^-25T^-2	1.12T^-2exp（-60 180/T）
$H + O 2 → O H + O$	2.4×10^-10exp（-8 250/T）	1.94×10^-11T^-1exp（-280/T）
$O H + O H → H 2 O + O$	1.0×10^-11exp（-550/T）	9.80×10^-11exp（-9 120/T）
$C O + O + M → C O 2 + M$	7.0×10^-33exp（-2 200/T）	8.24×10^-7T^1.3exp（-64 670/T）
$C O + O H → C O 2 + H$	2.8×10^-17exp（330/T）	2.92×10^-15T^1.3exp（-10 550/T）

表4

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

参考文献 39

1	SIMMONS F. Rocket exhaust plume phenomenology［M］. Reston： AIAA， 2000.
2	DRAPER J S， HILL J A F. Analytical approximation for the flow from a nozzle into a vacuum［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 1966， 3（10）： 1552-1554.
3	SIMONS G A. Effect of nozzle boundary layers on rocket exhaust plumes［J］. AIAA Journal， 197， 10（11）： 1534-1535.
4	HOFFMAN R， KAWASAKI A， TRINKS H， et al. The CONTAM. 2 plume flowfield analysis and contamination predictioncomputer program-Analysis model and experimental verification［C］‍∥20th Thermophysics Conference. Reston： AIAA， 1985.
5	GUERNSEY C S. Effects of translational nonequilibrium on vacuum plume expansions［J］. AIAA Journal， 1982， 20（7）： 885-888.
6	DOO Y， NELSON D. Analysis of small bipropellant engine internal flows by the direct simulation Monte Carlo method［C］‍∥22nd Thermophysics Conference.Reston： AIAA， 1987.
7	KANNENBERG K， BOYD I. Three dimensional Monte Carlo simulations of plume impingement［C］‍∥7th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. Reston： AIAA， 1998.
8	DEVIR A， LESSIN A， COHEN Y， et al. Comparison of calculated and measured radiation from a rocket motor plume［C］‍∥39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2001.
9	GIMELSHEIN S， BOYD I， IVANOV M. Modeling of internal energy transfer of polyatomic molecules in rarefied plume flows［C］‍∥37th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 1999.
10	GEORGE J D. A combined CFD-DSMC method for numerical simulation of nozzle plume flows‍［D］. Ithaca： Cornell University， 2000.
11	徐南荣. 喷气流红外辐射场的数值计算［J］. 航空学报， 1995， 16（6）： 647-65.
	XU N R. Numerical computation on infrared plume radiation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 1995， 16（6）： 647-653 （in Chinese）.
12	詹光，李椿萱. 发动机燃气喷流红外辐射场的数值模拟［J］. 北京航空航天大学学报， 2005， 31（8）： 829-833.
	ZHAN G， LEE C X. Numerical computations of infrared signatures in exhaust flow fields of jet engines［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2005， 31（8）： 829-833 （in Chinese）.
13	聂万胜，杨军辉，何浩波，等. 液体火箭发动机尾喷焰红外辐射特性［J］. 国防科技大学学报， 2005， 27（5）： 91-94.
	NIE W S， YANG J H， HE H B， et al. The IR radiation characteristic of exhaust plume of the liquid rocket engine［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2005， 27（5）： 91-94. （in Chinese）.
14	丰松江，聂万胜，解庆纷，等. 燃烧室内燃烧模型对尾焰流场及其辐射的影响［J］. 火箭推进， 2006， 32（2）： 6-10.
	FENG S J， NIE W S， XIE Q F， et al. Influence of combustion model in chamber on exhaust plume flow field and radiance［J］. Journal of Rocket Propulsion， 2006， 32（2）： 6-10 （in Chinese）.
15	董士奎，于建国，李东辉，等. 贴体坐标系下离散坐标法计算尾喷焰辐射特性［J］. 上海理工大学学报， 200， 25（2）： 159-16.
	DONG S K， YU J G， LI D H， et al. Numerical modeling of infrared radiation properties of exhaust plume by the Discrete Ordinates Method in body-fitted coordinates［J］. Journal of University of Shanghai for Science and Technology， 200， 25（2）： 159-162 （in Chinese）.
16	张小英，朱定强，蔡国飙. 固体火箭羽流红外特性的DOM法模拟及高度影响研究［J］. 宇航学报， 2007， 28（3）： 702-706.
	ZHANG X Y， ZHU D Q， CAI G B. Study the infrared characteristics of the solid rocket plume with DOM method and the influence of altitude［J］. Journal of Astronautics， 2007， 28（3）： 702-706 （in Chinese）.
17	帅永，董士奎，谈和平. 数值模拟喷焰2.7微米红外辐射特性［J］. 航空学报， 2005， 26（4）： 402-405.
	SHUAI Y， DONG S K， TAN H P. Numerical simulation for infrared radiation characteristics of exhaust plume at 2.7 μm‍［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2005， 26（4）： 402-405 （in Chinese）.
18	包醒东，余西龙，吴杰，等. 稀薄环境下高空羽流流动与超窄谱红外辐射特性数值研究［J］. 红外与激光工程， 2020， 49（）： 117-127.
	BAO X D， YU X L， WU J， et al. Numerical study of flow and ultra narrow spectrum infrared radiation characteristics of high-altitude plume under thin atmosphere［J］. Infrared and Laser Engineering， 2020， 49（Sup 1）： 117-127 （in Chinese）.
19	DU X B， YANG Q Z， YANG H Q， et al. Infrared radiation characteristics of dagger-type hypersonic missile［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2024， 37（4）： 137-150.
20	肖洪，商雨禾，吴迪，等. 稀薄气体动力学的非线性耦合本构方程理论及验证［J］. 航空学报， 2015， 36（7）： 2091-2104.
	XIAO H， SHANG Y H， WU D， et al. Nonlinear coupled constitutive relations and its validation for rarefied gas flows［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（7）： 2091-2104 （in Chinese）.
21	EU B C， MAO K F. Kinetic theory approach to irreversible thermodynamics of radiation and matter［J］. Physica A： Statistical Mechanics and Its Applications， 199， 180（1-2）： 65-114.
22	BASSI F， REBAY S. A high-order accurate discontinuous finite element method for the numerical solution of the compressible navier-stokes equations［J］. Journal of Computational Physics， 1997， 131（2）： 267-279.
23	MYONG R S. A full analytical solution for the force-driven compressible Poiseuille gas flow based on a nonlinear coupled constitutive relation［J］. 2011， 23（1）： 01200.
24	GNOFFO P A， GUPTA R N， SHINN J L. Con-servation equations and physical models for hyper-sonic air flows in thermal and chemical nonequilibrium‍［R］. Washington， D.C.： NASA， 1989.
25	MILLIKAN R C， WHITE D R. Systematics of vibrational relaxation‍［J］. The Journal of Chemical Physics， 196， 39（12）： 3209-321.
26	PARK C. Assessment of a two-temperature kinetic model for dissociating and weakly ionizing nitrogen［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 1988， 2（18）： 8-16.
27	MUYLAERT J， WALPOT L， HAEUSER J， et al. Standard model testing in the European High Enthalpy Facility F4 andextrapolation to flight［C］‍∥28th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 1992.
28	PARK C. On convergence of computation of chemically reacting flows‍［C］‍∥23rd Aerospace Sciences Meeting. Reston： AIAA， 1985.
29	张赛文. 基于N-S/DSMC耦合算法的喷管跨流域流动模拟［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2018.
	ZHANG S W. Simulation of nozzle cross-basin flow based on N-S/DSMC coupling algorithm［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2018 （in Chinese）.
30	ROTHMAN L S， GORDON I E， BARBER R J， et al. HITEMP， the high-temperature molecular spectroscopic database［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer， 2010， 111（15）： 2139-2150.
31	GORDON I E， ROTHMAN L S， HARGREAVES R J， et al. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer， 20， 277： 107949.
32	MODEST M F， BHARADWAJ S P. Medium resolution transmission measurements of CO₂ at high temperature［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer， 200， 73（2-5）： 329-338.
33	YOUNG S J. Evaluation of nonisothermal band models for H₂O［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer， 1977， 18（1）： 29-45.
34	MODEST M F. Inverse radiative heat transfer［M］‍∥Radiative Heat Transfer. Amsterdam： Elsevier， 2013： 779-80.
35	BEIER K， LINDERMEIR E. Comparison of line-by-line and molecular band IR modeling of high altitude missile plume［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer， 2007， 105（1）： 111-127.
36	CHEN Y T， ZHENG H R， REN X， et al. Backward Monte Carlo method for simulating spectral radiation characteristics of boost-gliding vehicle［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 132： 108087.
37	AVITAL G， COHEN Y， GAMSS L， et al. Experimental and computational study of infrared emission from underexpanded rocket exhaust plumes［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2001， 15（4）： 377-38.
38	刘雪松. X-51A高超声速飞行器三维重建及气动/隐身特性分析［D］. 南京：南京航空航天大学， 2015.
	LIU X S. 3D reconstruction and aerodynamic/stealth characteristics analysis of X-51A hypersonic vehicle［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2015 （in Chinese）.
39	牛青林. 连续流域高速目标辐射现象学研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019.
	NIU Q L. Phenomenological study on radiation of high-speed targets in continuous basins［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2019 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

来流条件	数值
高度/km	53
来流速度/（m·s^-1）	4 230
远场温度/K	265
远场压力/Pa	53
来流组分	78%N₂+22%O₂

评价标准	数值
MAE	0.00 079
MSE	0.000 001 4
NMSE	0.000 2
R²	0.999 4

计算方法	计算样本数	计算时间/s
逐线计算法	10 000	3 548
LBL神经网络模型	10 000	0.067

[1]	孟令捷, 李红光, 李新军. 基于地貌类别信息指导的SAR图像仿真方法[J]. 航空学报, 2025, 46(7): 331003-331003.
[2]	赵志浩, 杨照华, 吴云, 余远金. 弱光环境下基于深度学习的单光子计数成像去噪方法[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 630531-630531.
[3]	吴一全, 童康. 基于深度学习的无人机航拍图像小目标检测研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 30848-030848.
[4]	柳家齐, 陈荣钱, 楼锦华, 韩旭, 吴昊, 尤延铖. 基于深度学习的高速直升机旋翼翼型气动优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529828-529828.
[5]	罗旭东, 吴一全, 陈金林. 无人机航拍影像目标检测与语义分割的深度学习方法研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 28822-028822.
[6]	刘海桥, 刘萌, 龚子超, 董晶. 基于深度学习的图像匹配方法综述[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 28796-028796.
[7]	吴跃腾, 巴顿, 杜娟, 李云飞, 常军涛. 基于深度注意力网络的压气机流场重构方法[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 630580-630580.
[8]	孙一强, 朱檀枭, 牛青林, 贺志宏, 董士奎. 液体火箭发动机喷焰多波段辐射信号高度律[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 630568-630568.
[9]	王梓, 王靖皓, 李杨, 李璋, 于起峰. 基于轻量级神经网络的非合作目标位姿单目测量[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 330248-330248.
[10]	武天才, 王宏伦, 任斌, 严国乘, 吴星雨. 基于学习的高超声速飞行器分层协调容错方法[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 330191-330191.
[11]	樊云翔, 艾化楠, 王明振, 曹楷, 刘学军, 吕宏强. 基于深度学习的水上飞机非定常水载荷重构[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 129882-129882.
[12]	李俊燊, 孟祥彦, 石暖暖, 李伟, 祝宁华, 李明. 光学神经网络智能处理：技术演变与未来展望[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 630439-630439.
[13]	李少毅, 张雅淇, 程岳, 杨曦, 张良, 林健, 孟中杰. 场景抽象语义综合模型及其在红外弱小目标检测中的应用[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 630702-630702.
[14]	孔祥锡, 秦闻远, 苏飘逸, 化永朝, 董希旺, 王丽, 苏盈, 吕坤. 基于深度学习及模糊层次分析的毁伤评估算法[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 329503-329503.
[15]	是介, 周莉, 史经纬, 王占学. 复杂来流条件下设计参数对S弯喷管红外辐射特征影响[J]. 航空学报, 2024, 45(17): 530082-530082.

基于快速逐线计算模型的高超声速羽流红外辐射计算方法

Calculation method for hypersonic plume infrared radiation based on a fast line-by-line calculation model

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 24

参考文献 39

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价