基于格子Boltzmann方法的高温非平衡气体辐射传输研究

高温非平衡气体辐射传输问题在高超声速飞行热防护及目标探测领域具有重要应用背景。针对此问题，本项目提出了以格子Boltzmann方法为工具研究高温气体非平衡辐射传输的新思路，研究内容包括：基于微观粒子输运理论，建立非平衡状态下光子输运和分子输运统一Boltzmann方程；构造描述光子的吸收、发射、散射过程的碰撞模型；提出相应的格子Boltzmann模型和算法，实现光子分布函数的直接计算，进而实现高温非平衡辐射传输的耦合求解；在此基础上，分析考察与高温非平衡气体辐射传输相关的能级弛豫、组分输运等过程的耦合特性及其对辐射传输的影响规律。本研究涉及量子辐射理论、分子动力学、光谱学、统计物理等多个学科的交叉，是定量光谱与辐射传递领域的国际前沿课题，对与高温传热和热辐射信号相关的航空航天高技术领域有重要的科学意义。

本青年科学基金旨在以格子Boltzmann方法为工具实现对高温非平衡气体辐射传输过程的模拟，因此，本项目在动理学框架下推导了辐射能和辐射动量宏观方程，应用Chapman-Enskog多尺度方法，建立了适于辐射传输计算的格子Boltzmann模型，并验证了该模型的准确性和稳定性；鉴于非平衡辐射传输是伴随着高温高速流动过程出现的，本项目研究了典型高速流动工况的辐射－流动耦合特性，并通过无量纲化的方法证明了Bo数是辐射对流动特性影响程度的决定性参数；热化学非平衡状态下介质吸收、发射系数计算的关键是介质能态数密度的准确预估。本课题基于多温度模型思想，结合对双原子分子非平衡状态下振动弛豫过程和振动－离解耦合特点的分析，修正了Hammerling假设，建立了非平衡振动－离解耦合模型和双原子分子振动非平衡离解速率计算方法，并实现了非平衡状态下振动－离解－流动耦合过程的初步模拟，为实现高温非平衡辐射－流动耦合求解奠定了理论基础；在此基础上，本课题模拟了典型高超声速目标的非平衡流动过程，并计算了其非平衡光谱辐射特性；此外，鉴于本课题研究方向实验成本较高、实验数据有限的特点，本项目基于人工神经网络实现了从部分离散点温度出发对整个研究对象温度场进行重构，为进一步开展相关实验研究奠定了基础。本课题先后在Physical Review E等国内外期刊会议发表论文6篇，其中SCI检索1篇，EI检索5篇，EI刊源1篇，单篇SCI他引3次。