[发明专利]热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法及设备

说明书

本申请公开了一种热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法及设备。该方法可以包括：采用双温度模型，读取热力学非平衡水蒸气气体状态参数与水蒸气气体光谱参数；计算以振动温度为平衡温度的热力学平衡状态水蒸气气体的谱线强度；计算水蒸气分子的转动能项值、转动配分函数与振动配分函数；计算热力学非平衡状态水蒸气气体的辐射光谱吸收系数、发射源项与源函数，进行热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算。本发明采用双温度模型，对热力学平衡状态气体辐射逐线计算方法进行改进优化建立了热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法。

技术领域

本发明涉及热力学非平衡气体红外辐射数值计算技术领域，更具体地，涉及一种热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法、设备及介质。

背景技术

热力学非平衡水蒸气气体红外辐射主要是在高真空环境下火箭发动机尾喷流中的水蒸气气体红外辐射。由于此时水蒸气气体处于低密度、高速度的状态下，极短时间内分子之间碰撞不充分，气体分子内部能量无法与平动温度达到统一，出现分子之间平动温度、振动温度、转动温度及电子温度无法达到一致的热力学非平衡状态。

在热力学非平衡状态下，气体分子热运动速度不再遵从麦克斯韦定律，分子振动、转动各能级的分布以及各个能级间的相互关系不再符合玻尔兹曼分布，气体分子热辐射的发射源项和吸收系数之比(即源函数)也不再符合普朗克公式。同时，随着非平衡程度的逐渐增高，气体分子逐渐由平动、转动、振动和电子温度一致，到分子内部能量无法与平动温度达到统一，再到分子内部能量之间也无法达到统一。针对出现的热力学非平衡问题，Park依次提出了双温度模型、三温度模型以及多温度模型。随后还出现了碰撞辐射模型(CR)、振转态对态碰撞辐射模型等一系列辐射模型来计算热力学非平衡气体辐射特性。计算气体辐射特性最早发展起来的就是逐线计算方法。逐线计算方法计算结果精确、原理简单，可以作为各类辐射模型和气体辐射工程计算方法的基准。同时，由于逐线计算方法需要逐条计算所需光谱范围内的每条谱线，故计算量巨大且需要知道每条谱线的详细信息。水蒸气气体分子作为一个三原子分子且为不对称陀螺分子，谱线量巨大、光谱结构复杂，同时不对称陀螺分子的转动能项值没有准确的解析表达式，目前只以近似表达式表示。

因此，有必要开发一种热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法、设备及介质。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法、设备及介质，其采用双温度模型，对热力学平衡状态气体辐射逐线计算方法进行改进优化建立了热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法。

第一方面，本公开实施例提供了一种热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算方法，包括：

采用双温度模型，读取热力学非平衡水蒸气气体状态参数与水蒸气气体光谱参数；

计算以振动温度为平衡温度的热力学平衡状态水蒸气气体的谱线强度；

计算水蒸气分子的转动能项值、转动配分函数与振动配分函数；

计算热力学非平衡状态水蒸气气体的辐射光谱吸收系数、发射源项与源函数，进行热力学非平衡水蒸气气体红外辐射逐线计算。

优选地，所述热力学非平衡水蒸气气体状态参数包括平动-转动温度、振动电子温度与压力。从HITEMP 2010数据库中读入水蒸气气体光谱参数，包括谱线中心真空波数、参考状态下谱线强度、爱因斯坦系数A、谱线增宽半宽、振动量子数、不含核自旋的总角动量量子数J、不对称陀螺分子投影的标准量子Ka。

优选地，通过公式(1)计算以振动温度为平衡温度的热力学平衡状态水蒸气气体的谱线强度：