湍流场对光传输影响的模拟研究

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毕业论文

1绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2论文主要研究内容及方法2

2湍流场理论4

2.1湍流的成因4

2.2湍流的主要特性5

2.3湍流模型的研究7

3光传输理论9

3.1气动光学现象9

3.2空气动力学与光学的理论联系9

3.3光线追迹理论10

3.4流场对光束传播的影响12

4流场对光传输影响的模拟和计算14

4.1凸台模型的建立14

4.2湍流场的建立15

4.3光传输的过程及影响17

结论20

致谢21

参考文献22

1. 绪论 1.1. 研究背景及意义光波在大气中的传播是大气光学的基本问题，自从人们发现并逐渐了解激光的特性，人们预感到了光在生活中会占越来越大的比重。然而，这项技术并没有取得尽如人意的突破，其中的关键所在就是大气对光束传播的影响颇为严重。与此同时，激光－雷达在军事、民用上发挥着越来越重要的作用，如高精密制导武器、卫星遥感、监视大气污染程度等等［1］。相关行业对应用的需求，使得对光波传输的研究备受瞩目。一般而言，通过大气湍流传播的部分相干光束的传播受到两种机制的影响。一种是自由空间衍射，另一种是大气湍流[2]。湍流是几个世纪都未解决的难题；求解随机介质中的波传播问题已经应用了物理学几乎所有可能应用的方法，但目前只在一些十分有限的特殊条件下取得了成果。当光束在大气湍流中传播时，湍流场中折射率的起伏引起了光束波阵面的畸变，激光的相干性受到了严重的破坏。同时被破坏的相干性大幅削弱光束的光学质量，引起光线的随机漂移、激光能量在光束截面上的重新分布、激光实际传播路径的偏移、接受面积上的光强的波动等。这些问题在传播距离长和湍流强度大的情况下极为严重，从而制约了大气自由光通信的发展［3］。并且大气湍流对光波影响所改变的物理量的作用在不同的应用中是不同的。如在成像领域关心与相位相关的量［4-5］。而在激光大气传播、航天器空间通信应用中更关心与振幅相关的量［6］。相关理论和实验表明，相较与完全相干光束，湍流对部分相干光束影响更微弱[7-10]。流体动力学中的一个重要分支就是对湍流的研究。有关大气物理的理论问题，如果离开了对湍流影响的考虑，就会成为远离现实的理想状态，失去其现实意义。普兰特尔曾经说过：“在八十多年的研究过程中，许多人在数学以及实验方面，重点探究了湍流是如何形成的。对这样一个有重要意义的问题，直到现在还是一个有现实性的研究课题［11］。” 通过引入Kolmogorov 和Obukhov发展的湍流统计理论，前苏联学者 Tatarskii在求解湍流大气中波传播方程时，取得的一些理论结果，这些理论成果成功的解释了前人所做的研究，从而确立了光波在湍流大气之中传播的理论基础。然而，由于光束在大气湍流中的传播是一个十分复杂的过程，特别是其存在的间歇性，对激光传输有着无法预估的影响［12］。在1883 年最早进行了关于湍流的实验，雷诺在玻璃管内流动的液体中，滴入一些染色的液体，来更清楚的观察液体的流动状态。并发现，当流动速度较低时，形成一种平滑的流动，即“层流”，当流动速度较高时，形成一种不规则的涡旋运动，称之为 “ 湍流 ”。据此，雷诺预言从层流到湍流的变化过程有一个相同的雷诺数［13］。而现在已经证明存在一个临界雷诺数Rec，在研究流体动力的相似性时引入的雷诺数被定义为： �� = !"#!= !!� (1.1) 上式中的v、ρ、μ 分别是流体的流速、密度与黏性系数，L 为相应的特征长度。雷诺数的大小直接相关与粘滞力和惯性力源`自*751~文·论^文`网[www.751com.cn，雷诺数小时，粘滞力影响大，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力影响大，流体流动较不稳定，易形成紊乱、不规则的紊流流场。而关于湍流对光学传输的影响的研究则要等到 1952 年,Liepmann 通过纹影系统在准直光束通过湍流流场产生的光学像差中,仔细进行了研究，首次定性地分析了气动光学像差,并且引入了对气动光学十分重要的均方偏差角的概念[14]。并且 Baskins 和 Hamilton 也在 1952年对超声速湍流流场进行了试验,分析了光波在流场中的传播规律[15]。相对而言，国外的科学家们对气动光学的理论研究已经比较深入,并发展了多种计算模型而且对湍流的运动机理进行了比较成熟的理论分析。然而有待ᨀ高的是，目前较多的研究仍处于于低音速阶段,对于超音速的流场研究较少,且计算精度有待ᨀ高。反观国内，虽然说国内关于气动光学的研究相较与之前已经取得了一定的进展,尤其是李桂春以及殷兴良的两部气动光学方面的专著对国内关于气动光学理论研究以及光学校正作出了巨大的贡献[16,17],并且最近十年的相关研究也取得了飞速突破,但是国内的研究大多是对于凹腔的气动光学进行研究,并且数值模拟方面主要集中于中低音速流场,关于超音速的流场气动光学研究较少。