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子求解器 功能 流场前处理 读取Fluent流场数据，距离反比插值重建规则化网格 气体辐射特性 LBL逐线计算法与K分布模型，支持CO₂/H₂O光谱计算 粒子辐射特性 Mie理论计算粒子散射特性，支持Gauss-K分布 辐射传输计算 反向蒙特卡洛法（RMC）求解辐射传递方程
气体红外辐射计算求解器
红外辐射数值计算C++求解器开发MPI并行航空发动机
中国航空发动机研究院委托项目。自主研发航空发动机排气系统红外辐射仿真并行计算求解器，分两期完成：核心算法开发与程序优化工程验证。
项目概述
中国航空发动机研究院委托项目。面向航空发动机排气系统红外辐射仿真需求，针对航空发动机尾喷流红外隐身的军事需求，自主研发一套航空发动机尾喷流红外辐射传递求解器。分两期完成：- 一期：核心算法开发（气体红外辐射计算求解器）
- 二期：程序优化与工程验证（排气系统红外辐射仿真并行计算软件）
研究背景
典型航空发动机排气系统红外辐射特征光谱由以下三部分组成：- 尾喷管高温壁面辐射 — 发动机喷嘴处高温表面的直接辐射
- 尾喷焰高温燃气辐射 — 燃烧产生的高温气体（CO₂、H₂O等）振转红外光谱
- 高温凝相粒子辐射 — 固体颗粒的发射、吸收与散射
一期：核心算法开发
求解器组成
开发四大子求解器，每个子求解器具有独立的输入输出和功能接口：核心技术
#### 1. 流场网格前处理- 读取Fluent导出的非规则化流场网格数据
- 采用距离反比插值方法重建规则化网格
- 支持tecplot格式输出，与原流场参数对比验证
- 逐线计算法（LBL）：基于HITRAN2016/HITEMP2010数据库，计算CO₂、H₂O分子在特定波数下的光谱吸收系数（分辨率达0.01cm⁻¹量级）
- K分布模型：将随光谱剧烈变化的吸收系数按数值大小重新排列，构建4维（波段、温度、压力、浓度）12点Gauss-K分布吸收系数数据库，在保持LBL精度的同时大幅提升计算效率
- 经与Modest《Radiative Heat Transfer》算例比对验证，程序计算结果与参考文献高度吻合
- 基于Mie理论计算高温凝相粒子的吸收/散射特性
- 支持各向同性散射、向前散射、向后散射等多种散射模型
- 构建Gauss-K分布散射系数数据库
- 采用反向蒙特卡洛法（RMC）求解辐射传递方程
- 支持近场/远场探测模式
- 支持单波长/波段计算（3-5μm中红外、8-14μm远红外）
二期：并行优化与工程验证
在一期基础上，针对航空发动机排气系统（包括发动机腔体与尾喷焰）的复杂计算域进行扩展：新增功能
- 非结构化网格适配：直接读取非结构化网格，无需网格转换，消除插值误差
- 固体表面BRDF辐射特性：采用BRDF方程描述喷管壁面的发射和反射特性
- 三种辐射传输模型：LOS法（纯气体）、RMC法（含壁面/散射）、LOS+RMC混合法
- 远距离大气衰减：考虑大气传输衰减与大气背景辐射
- MPI并行加速：支持多进程并行计算，大幅提升求解效率
技术架构
排气系统红外辐射仿真并行计算软件
├── 流场前处理模块
│ ├── Tecplot格式流场数据读取
│ ├── 非结构化网格点定位
│ └── 物理场空间插值
├── 辐射物性计算模块
│ ├── 高温气体辐射特性（窄谱带法）
│ ├── 粒子辐射特性（MIE理论）
│ └── 固体表面辐射特性（BRDF方程）
├── 辐射传输求解模块
│ ├── LOS法（视在光线法）
│ ├── RMC法（反向蒙特卡洛法）
│ └── LOS+RMC混合法
├── 并行计算模块（MPI）
└── 后处理模块
├── 多角度成像仿真
├── 多光谱输出
└── 大气衰减修正
关键技术指标
- 光谱范围: 3-5μm（中红外）、8-14μm（远红外）
- 气体辐射模型: LBL逐线计算 + K分布数据库
- 粒子辐射模型: Mie理论
- 辐射传输: 反向蒙特卡洛法（RMC）
- 并行框架: MPI
- 流场数据格式: Tecplot（二期支持非结构化网格）
- 计算平台: Windows/Linux 跨平台
验证与测试
- LBL计算结果与Modest《Radiative Heat Transfer》算例对比验证
- K分布模型与LBL基准结果对比，精度保持一致
- 流场前处理重建网格与原Fluent网格参数对比（温度、压力、组分浓度）吻合良好
- 二期完成航空发动机排气系统整机红外辐射成像仿真验证
技术栈
- 编程语言: C++（架构层），Fortran（计算核心）
- 并行框架: MPI
- 光谱数据: HITRAN2016 / HITEMP2010
- 数值方法: LBL逐线计算、K分布、反向蒙特卡洛法（RMC）、Mie理论、BRDF
- 开发平台: Windows/Linux 跨平台