超声速混合层中涡致气动光学效应的机理研究

Aero-optical effects has been a core engineering problem that hinders the high-speed imaging missile from attacking the target accurately, and the supersonic mixing layer over the optical window formed by cooling jet and high-speed incoming flow is the main flow field producing the aero-optical effects.However, as the most essential factor of the aero-optical effects generated during a beam passing through the mixing layer, the density variation characteristics of vortex structure, such as the inhomogeneous distribution of vortex structure density in space and the changes in time, are still not clear.The high-precised large eddy simulation technology and boundary capture method for a vortex structure that based on the view of lagrange coherent structure are both used in this project in order to explore the change law of density distribution in space and time and to build their mathematical models.Then, the quantitative relationship between the spatial and temporal characteristics of vortex structure density and its aero-optical effects is obtained by studying the transmission characteristics of the vortex structure.The research results of this project will not only help us to further understand the mechanism of aero-optical effects caused by the supersonic mixing layer, but also can be used to guide the design of flow control method to modulate the density distribution of vortex structure for reducing the aero-optical effects, which is of great research significance.

气动光学效应一直是阻碍高速成像导弹实现对目标精确打击的核心工程问题，而光学窗口上方由冷却喷流与高速来流形成的超声速混合层则是导致高速成像导弹产生气动光学效应的主要流场。然而，作为光束穿越混合层产生气动光学效应的最根本因素，流场中涡结构的密度特性(如涡结构密度在空间上的分布特性以及在时间上的变化规律)却仍然不清楚。本项目使用高精度大涡模拟技术和基于拉格朗日相干结构视角的涡结构边界捕获方法，探究在涡结构演化过程中，涡结构内部的密度分布在空间和时间上的变化规律并分别建立它们的数学模型。随后通过对涡结构光束传输特性的研究，获取涡结构密度分布的空间和时间特性与其产生的气动光学效应之间的定量化关系。本项目的研究成果不仅有助于深入认知超声速混合层气动光学效应的机理，也可服务调制涡结构密度分布的流动控制方法设计，具有重要的研究价值。

采用光学成像制导技术已成为精确制导武器发展的必然趋势，然而，当成像制导武器在大气层中超声速飞行时，其头部会形成激波结构并在光学窗口上方产生高速混合层和湍流边界层等复杂流场，导致其成像系统接收到的目标图像产生偏移、抖动和模糊等现象，影响对目标的探测、识别和跟踪能力，降低制导精度，这种现象被称为气动光学效应。其中，光学窗口上方由冷却喷流和超声速来流形成的超声速混合层是产生气动光学效应的主要流场。本项目使用高精度大涡模拟技术和基于拉格朗日相干结构视角的涡结构边界捕获方法，揭示涡结构内部流体密度分布在空间和时间上的变化规律，以及密度分布对光束传输的影响，探索涡结构密度分布特性与其产生的气动光学效应之间的定量关系。主要结论有：⑴ 涡结构内部流体密度在整体上随其空间尺寸的增加而降低，但其流向边界处的流体密度则有轻微增加；随着流场压缩性的增加，涡结构内部流体密度逐渐呈现波动变化的特点；超声速混合层上层和下层来流的密度差会使涡结构内部流体的密度变化出现更加明显的波动。⑵ 光束穿越超声速混合层产生的波前畸变主要由涡结构的形状、尺寸和涡结构内部流体密度波动特性等决定；相对光束在流场中的传输距离，光束历经流体的密度差对于波前畸变的影响更大。⑶ 周期性的流动控制能够使流场中涡结构内部流体的密度分布具有规律性，其导致的光束波前畸变可用涡结构流动速度及其空间尺寸等参数进行预估；采用基于流动控制的波前校正能够使光束畸变波前畸变(OPD幅度)降低50%左右。⑷ 光束在涡结构内部的传输路径由其内部流体的密度波动决定，它们之间可使用定量化的公式近似表达。本项目的研究成果有助于认知超声速混合层涡结构导致气动光学效应的机理，丰富了气动光学效应研究的相关理论，能够为工程上降低气动光学效应提供理论指导，具有重要的理论和工程应用价值。