题目：排气系统流场与温度场耦合及红外特性的数值研究

本文开展了喷管内外流场与温度场以及组分浓度场耦合数值模拟的研究，并在此基础上，分别以离散坐标法与蒙特卡罗法对排气系统的红外特性开展了数值计算。首先，本文对排气系统内外流场的高精度数值模拟开展了计算与分析工作。在过膨胀工况下，喷管内部将产生激波以及附面层分离，流态非常复杂，精确模拟存在一定的难度。计算实践表明，应用广泛采用的重整化群(RNG)k-e湍流模型，并结合标准壁面函数对其进行数值模拟时，误差较大。针对标准壁面函数的不足，本文采用增强型壁面函数处理固体壁面附近的流动，对轴对称收-扩喷管的内外流场进行了数值模拟，并与试验数据进行了分析比较。结果表明：增强型壁面函数更加适合处理此类存在强逆压梯度导致附面层分离的问题。之后，分别对二元收-扩喷管的内外流场与球形收敛调节片喷管的内流场开展了数值模拟工作，并且与试验数据进行了比较，结果吻合良好。在此基础上，分析了喷管各自的流场特征与性能。其次，本文考虑热辐射的影响，以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质，采用流-热耦合的流动与换热模型，流场与结构温度场互为边界条件交换数据，实现了流场解算与结构温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静态的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟，计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好；对V形尾缘收敛喷管的喷流进行了数值模拟，所得喷流流场计算结果与试验数据吻合良好。在此基础上，进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管及二元收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。再次，本文在流场、温度场、组分浓度场耦合求解的同时，利用离散坐标模型（DOM）计算红外辐射，对有/无V形尾缘收-扩喷管的内外流场与红外特性开展了数值模拟，结果表明：V形尾缘在尾喷流的剪切层中产生了强烈的流向涡，促进了内外流的强化混合，明显缩减了喷管出口附近喷流的红外辐射。在此基础上，对常规二元收-扩喷管、尾缘修形的二元收-扩喷管以及球形收敛调节片的二元收-扩喷管分别建立了计算模型，在相同的计算条件下，对比分析了三者的流场特征与红外特性。此外，本文以HITRAN数据库及HITEMP数据库为基础，分别研究了以逐线法与统计谱带模型法计算吸收-发射性气体介质的辐射特性。以最新的高分辨率高温燃气光谱数据库HITEMP为基础，编制了统计窄谱带计算程序，对排气系统主要吸收-发射性气体介质——二氧化碳和水蒸气的红外辐射特性开展了数值研究。在对计算方法进行有效性验证的基础上，分析了二氧化碳、水蒸汽混合气体介质的辐射特性及其随温度的变化规律。结果表明：混合气体的吸收谱带与这两种单一气体各自的吸收谱带相对应；特征吸收谱带存在温度增宽效应，随着温度升高，吸收谱带的峰值减小，尖锐的吸收峰向平坦的吸收谱带过渡。最后，本文对三种随机数发生器进行了参数检验，确定了蒙特卡罗计算程序采用的随机数发生器；编制了正/反蒙特卡罗法求解辐射问题的程序，对无限大平板间的辐射换热、典型结构的角系数、包含吸收-发射性气体介质圆柱体空腔内的辐射换热进行了解算，并与精确解作了比较，验证了程序的有效性，同时比较了正/反向蒙特卡罗法的计算效率。在此基础上，对轴对称喷管的红外特性开展了数值研究。