柱流场对激光传输影响的数值模拟VIP免费

第6卷第1期2015年3月现代应用物理MODERNAPPLIEDPHYSICSVo1．6．NO．1Mar．2O15亚声速球／柱流场对激光传输影响的数值模拟关奇，陈志华，杜太焦，闫伟，彭国良(西北核技术研究所，西安710024)摘要：采用大涡模拟的方法计算了来流速度为0．6Ma的球／柱体附近的流场，并采用相屏法研究了该流场对激光传输的影响。结果表明：球头附近的流场引起的气动光学效应对传输到远场的激光光斑特性有较大影响，影响程度随激光传输方向而变化，并且激光发射孔径越大、激光波长越短，影响程度越大。关键词：激光传输；气动光学效应；大涡模拟中图分类号：TN012；O43文献标志码：A文章编号：2095—6223(2015)01—032～05NumericalSimulationofAero-OpticalEffectsofaLaserBeamPropagatingThroughaSubsonicHemispherical／CylindricalFlowFieldGUANQi，CHENZhi—hua，DUTai—jiao，YANWei，PENGGuo—liang(NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi’an710024，China)Abstract：Theaero—opticaleffectsofalaserbeampropagatingthroughtheflowfieldofahemispherical／cylindricalstructureatavelocityof0．6Mawereinvestigatedusingthelargeeddysimulationmethodcombinedwiththephasescreenmethod，andthelasercharacteristicsinfarfieldwereexaminedundervariousconditions．Theresultsshowthattheaero～opticaleffectsattheheadofthehemispherical／cylindricalstructurestronglyaffectthefar—fieldlasercharacteristics．andthescaleoftheeffectdiffersfordifferentelevationangles．Forlargerap—ertureandshorterlaserwavelength，theeffectsbecomemoreserious．Keywords：laserpropagation；aero—opticaleffect；largeeddysimulation近年来，激光技术越来越广泛地应用于机载系统中。高速运动的飞行器周围会产生复杂的流场，使其中传输的激光产生附加的相位畸变，进而影响激光的传输特性，这种效应称作气动光学效应l1]。研究气动光学效应的方法有实验方法、理论分析方法及数值模拟方法。引起气动光学效应的气动流场，包括湍流剪切层、边界层、绕流等各种复杂的流场。由于这些湍流流场不再是均匀和各向同性的，因此，研究激光大气传输的传统理论分析方法_2]已不适用于气动光学效应研究。利用数值模拟方法可对湍流流场进行模拟，然后根据湍流流场的信息，构造气动光学相位屏，再进一步研究其对激光传输的影响。气动光学效应数值模拟的基础是湍流流场的数值模拟。近几年发展并逐步完善的大涡模拟(1argeeddysimulation，LES)方法能以较少的计算资源获得足够多的与光学畸变相关的湍流信息，因而成为研究气动光学效应的主要数值模拟方法之一l1。球／柱形结构是一种常见的机载激光结构，前人针对此结构气动流场引起的光程差变化及统计分析，开展了很多研究_l3]。本文采用数值模拟方法收稿日期：2014—12—10；修回日期：2015—01—14作者简介：关奇(1989一)，女，吉林长春人，助理研究员，硕士研究生，主要从事激光大气传输和气动光学效应研究。E—mail：guanqi@nint．ac．cn34现代应用物理第6卷因此，波长对光程差的影响体现在G—D系数上。以波长分别为1．315和3．8m的激光为例，它们引起KGD的改变量记为△KGD，且△KGD=KGD(1．315)一KGD(3．8)一8．54X10一m。·kg～由于KGD约为10m。·kg一，AKGD《KGD，因此，在近红外至中红外波段附近，对光程差的分析不考虑波长的影响，只给出一1．315m的计算结果。2．2传输方向的影响按照式(3)分别计算了一1．315肚m，孔径D一0．75、0．5和0．25m情况下，激光沿1O个不同发射角的Loo(均为去掉倾斜项的结果)，并对LoPD求空间均方根ro。。图3给出了D一0．5m时r。。与发射角的关系。0204O6O80lOO12oe／(。)图3D-0．5m时，r0。随发射角p的变化Fig．3rol,Dvs．0forD=0．5m从图3可以看出，不同发射角时，r。。值均在m量级，并且激光沿球／柱体顶部(一90。)传输时rOPD最大，为2．48m。2．3发射孔径的影响图4给出了不同发射角下r。。与发射孑L径D的关系。可以看出：发射孔径越大，r。。越大。在同一发射角下，D一0．25m与D一0．751TI对应的roPD之比小于3O。这是因为球／...