高溫孔口的紅外隱身研究

唐曉杰，沈衛(wèi)東，宋 斌，張銘隆，岳 鑫，楊 翱

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高溫孔口的紅外隱身研究

唐曉杰，沈衛(wèi)東，宋 斌，張銘隆，岳 鑫，楊 翱

（重慶通信學(xué)院 軍用特種電源軍隊實驗室 重慶 400035）

為解決高溫孔口的紅外隱身問題，對高溫孔口進行了建模、仿真與實驗。結(jié)合高溫孔口的實際情況，利用Fluent仿真軟件建立仿真模型。首先在計算機上進行仿真、分析，然后通過實驗進行驗證。通過研究發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合式隔熱，紅外抑制效果較好，而內(nèi)壁導(dǎo)翅引流冷卻技術(shù)能起到良好的冷卻效果，綜合采用二者能使高溫孔口取得良好的紅外隱身效果。

高溫孔口；紅外隱身；引流隔熱

0 引言

紅外輻射是高溫孔口在遠紅外波段的主要暴露特征，高溫孔口的隱身是武器裝備隱身技術(shù)的關(guān)鍵部分之一[1]。利比亞戰(zhàn)爭中，卡扎菲軍隊的很多裝甲車輛被摧毀，部分原因是因為其高溫孔口的紅外特征過于明顯，成為了美軍導(dǎo)彈活生生的靶子。高溫孔口紅外隱身技術(shù)通過降低或改變目標(biāo)的紅外線輻射特征，并使其與環(huán)境溫度相接近，從而降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率、實現(xiàn)目標(biāo)的低可探測性[2]。這可通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用紅外線物理原理來衰減、吸收目標(biāo)的紅外輻射能量，使紅外線探測設(shè)備難以探測到目標(biāo)[3]。

1 理論研究

1.1 建模分析

1）通過對隔熱材料包裹（圖1(a)）、封閉空氣夾層隔熱（圖1(b)）以及開放式空氣夾層隔熱（圖1(c)）3種隔熱方式的理論計算以及仿真模擬，研究在一定環(huán)境溫度下3種隔熱方式的隔熱效果及其影響因素[4]，優(yōu)化復(fù)合獲得最佳的高溫孔口外壁隔熱方案（圖1(d)），并經(jīng)搭建高溫孔口實驗裝置進行實驗驗證，以獲得能自適應(yīng)環(huán)境溫度變化的高溫孔口外壁紅外抑制技術(shù)方案及樣件。

2）通過對主動噴射氣幕（圖2(a)）對高溫孔口內(nèi)壁冷卻隔熱效果進行數(shù)值分析，獲得噴射氣幕結(jié)構(gòu)參數(shù)以及氣幕噴射速度、溫度等對內(nèi)壁的冷卻規(guī)律，提出適合于高溫孔口內(nèi)壁氣幕冷卻隔熱的改進措施[5]；采用系列導(dǎo)翅代替孔口內(nèi)壁，利用孔口內(nèi)高速氣流流動在內(nèi)壁面開孔導(dǎo)翅處形成的負壓，從孔口外引入環(huán)境冷空氣對內(nèi)壁進行隔熱冷卻，如圖2(b)所示；采用數(shù)值模擬方法研究導(dǎo)翅尺寸、形狀以及分布參數(shù)對內(nèi)壁的隔熱冷卻規(guī)律，并自制實驗樣件進行實驗驗證，測試其內(nèi)壁的紅外抑制效果。

圖2 內(nèi)壁冷卻隔熱方案示意圖

3）綜合外壁開放式空氣夾層隔熱以及內(nèi)壁導(dǎo)翅引流隔熱冷卻兩種方案，優(yōu)化設(shè)計一種既能抑制外壁紅外特征，又能抑制內(nèi)壁紅外特征的綜合抑制方案，如圖3所示，以獲得滿足抑制整個高溫孔口紅外特征的紅外抑制結(jié)構(gòu)，并制作實驗樣件進行驗證，測試其紅外特征。

圖3 高溫孔口紅外抑制結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 仿真分析

1）內(nèi)壁隔熱計算

以截面尺寸為150mm×130mm的高溫孔口為計算對象，其當(dāng)量直徑e可按下式計算：

e＝4/=140mm (1)

式中：為截面積，為濕周長。

當(dāng)孔口內(nèi)氣流速度＝6m/s，＝155℃時，可計算出雷諾數(shù)ef＝32307。

孔口內(nèi)熱空氣與壁面紊流對流換熱的努謝爾特數(shù)可由迪圖斯-貝爾特公式計算：

Nu＝0.023ef0.8Pr0.3＝83.07 (2)

式中：Pr為普朗特系數(shù)。

則對流換熱系數(shù)為：

＝/e＝22.4W/m2×℃ (3)

式中：為導(dǎo)熱系數(shù)。

對圖1(a)～圖1(d)四種隔熱方式（隔熱層均為10mm厚）進行仿真計算，設(shè)環(huán)境溫度為12℃，自然對流換熱系數(shù)為6W/(m2×℃)，則高溫孔口外表面溫度計算結(jié)果如表1所示。

從表1的結(jié)果可以看出，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低于硅酸鋁隔熱材料，因此封閉空氣夾層的隔熱效果相對較好，但由于其夾層內(nèi)空氣溫度升高，內(nèi)部產(chǎn)生自然對流，不利用隔熱；采用開放式空氣夾層時，在利用空氣低導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)點的同時，利用夾層內(nèi)熱空氣與環(huán)境冷空氣之間的自然對流，及時從環(huán)境中引入冷空氣到開放式夾層內(nèi)，可使高溫孔口外壁溫度隨環(huán)境空氣溫度的變化而變化，從而保證外壁溫度與環(huán)境溫度盡量接近，但由于內(nèi)壁板溫度過高，會產(chǎn)生輻射換熱以及夾層兩壁板間的對流換熱，雖對外表面紅外特征有較大抑制，但此時效果仍未能滿足外表面溫度與環(huán)境溫度之差小于±4℃的要求。當(dāng)采用硅酸鋁隔熱材料與開放式空氣夾層復(fù)合隔熱時，其隔熱效果比單獨采用開放式空氣夾層時的效果相當(dāng)，此時降低了空氣夾層內(nèi)層溫度，從而減少了開放式空氣夾層的對流及輻射傳熱，因此在內(nèi)層壁板溫度過高時可考慮隔熱材料與開放式空氣夾層復(fù)合使用。

2）氣幕噴射隔熱模型

模型示意圖如圖4所示，高溫孔口進口兩側(cè)分別有冷空氣主動引入，冷氣流寬度與管徑之比為1: 10。

圖4 氣幕噴射模型示意圖

改變冷氣流速度，所計算出的高溫孔口內(nèi)溫度場分布圖如圖5所示。

表1 高溫孔口外表面溫度計算結(jié)果

從圖5可以看出，隨著所引入冷氣流速度的增大，高溫孔口內(nèi)部整個溫度場溫度趨低，特別是內(nèi)壁面冷卻長度逐漸增長。

圖6為不同冷氣流速度下，高溫孔口內(nèi)壁溫度對比曲線圖。從圖中可以清楚地看到，隨著冷氣流速度的增大，被冷卻的管內(nèi)壁呈增大趨勢。根據(jù)紅外隱身技術(shù)的相關(guān)理論可以知道，當(dāng)目標(biāo)和背景的溫度相差小于4K時，目標(biāo)和背景就達到了紅外融合，也就是紅外探測儀器已不能分辨出其溫度差，達到了紅外隱身的目的[6]。從圖6中可以看出，隨著冷氣流速度的增大，壁溫與環(huán)境溫差小于4K的內(nèi)壁長度越長。但冷氣幕噴射速度要達到6～12m/s，就必須采用風(fēng)機等外加動力進行主動噴射，這不利于在實際裝備中應(yīng)用。

圖6 不同冷氣流速度下排氣管內(nèi)壁溫度曲線圖

3）內(nèi)壁導(dǎo)翅引流冷卻隔熱

由氣幕噴射隔熱分析可知，在內(nèi)壁的冷氣幕可以冷卻壁面并隔熱，因而可考慮在高溫孔口壁板上開百葉窗式的孔縫，并在孔縫內(nèi)壁側(cè)設(shè)置導(dǎo)流翅片，以在內(nèi)壁面形成多點氣幕噴射。對單側(cè)內(nèi)壁有導(dǎo)翅的高溫孔口的數(shù)值仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，利用高溫氣流快速流動時在壁面導(dǎo)翅處形成的負壓，可從外界環(huán)境中經(jīng)三角形百葉孔縫引入環(huán)境冷空氣，以實現(xiàn)孔口內(nèi)壁面的冷卻隔熱。

2 實驗測試

2.1 孔口外表面隔熱效果測試

高溫孔口模擬裝置示意圖如圖8所示，通過電阻絲將冷空氣加熱，從高溫孔口吹出，模擬高溫孔口排氣。高溫孔口模型裝置由調(diào)速風(fēng)機、電阻絲加熱段和高溫孔口段組成，如圖9所示，在此基礎(chǔ)上分別對10mm厚的封閉空氣夾層、開放式空氣夾層以及硅酸鋁與開放式空氣夾層復(fù)合使用時高溫孔口外壁面的紅外輻射進行測試，結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，采用封閉空氣夾層有一定的隔熱效果，大幅降低了高溫孔口壁面的紅外輻射，而采用開放式空氣夾層隔熱時效果更佳。先采用隔熱材料隔熱再采用開放式空氣夾層進行綜合隔熱，紅外抑制效果最好，使高溫孔口外壁面與背景的紅外輻射相接近[7]。

圖7 導(dǎo)翅內(nèi)壁高溫孔口溫度場與速度場分布

圖8 高溫孔口模擬裝置示意圖

圖9 高溫孔口模擬裝置

圖10 不同隔熱方式時高溫孔口外壁面紅外圖像

2.2 高溫孔口紅外抑制結(jié)構(gòu)樣件紅外輻射特性測試

基于空氣夾層隔熱以及導(dǎo)翅噴射氣幕紅外抑制效果的分析，經(jīng)優(yōu)化后制作的高溫孔口紅外抑制結(jié)構(gòu)樣件如圖11所示，其具有雙層結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于形成一個空腔夾層。內(nèi)層在孔口側(cè)具有隔熱材料導(dǎo)翅，外層由向外的百葉組成。采用調(diào)壓器對調(diào)速風(fēng)機以及加熱功率進行調(diào)整，用熱電偶經(jīng)數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測高溫孔口各點溫度，采用紅外成像儀對高溫孔口進行紅外成像，成像結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出，采用紅外抑制結(jié)構(gòu)以后，高溫孔口外表面紅外輻射完全與背景相一致，內(nèi)表面的紅外輻射也大大降低，這是因為高速的高溫氣流在孔口內(nèi)流動時在內(nèi)壁導(dǎo)翅開縫出形成負壓，使環(huán)境冷空氣經(jīng)外層百葉窗進入樣件夾層，再經(jīng)內(nèi)層縫隙沿導(dǎo)翅流入孔口內(nèi)壁面附近，從而使高溫孔口周圍形成開放式的冷空氣夾層以在內(nèi)壁形成多點噴射氣幕進行隔熱和冷卻，使高溫孔口在45°～90°角區(qū)間無明顯的紅外特征暴露，具有良好的隱身效果[8]。

圖11 高溫孔口樣件

圖12 高溫孔口紅外抑制結(jié)構(gòu)樣件的紅外成像

3 結(jié)束語

高溫孔口的紅外隱身問題，本文通過建模分析、理論計算、仿真模擬、實驗測試對高溫孔口的外部形狀、空氣冷卻方式等進行了研究，通過研究發(fā)現(xiàn)采用隔熱材料先隔熱再采用開放式空氣夾層進行二次隔熱，紅外抑制效果最好，而內(nèi)壁導(dǎo)翅引流隔熱冷卻技術(shù)能起到良好的冷卻效果，綜合二者能使高溫孔口取得良好的紅外隱身效果。

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Research on the Infrared Stealth of High Temperature Orifice

TANG Xiao-jie，SHEN Wei-dong，SONG Bin，ZHANG Ming-long，YUE Xin，YANG Ao

(,400035,)

To solve the problem on the infrared stealth of high temperature orifice, the article conducts modeling, simulation and experiment on the high temperature orifice. Combined with the actual situation of the high temperature orifice.Fluent simulation software is used to simulate model. Firstly, Simulation and analysis are made on the computer. Secondly, validation is made by experiment. Through the study, using composite insulation can make the infrared suppression better, the inner wall pilot wings drainage cooling technology can produce a good cooling effect and using a combination of the two can achieve good infrared camouflage effect for high temperature orifice.

high temperature orifice，infrared stealth，drainage insulation

TN219，TN976

A

1001-8891(2015)05-0441-07

2014-09-30；

2015-03-09.

唐曉杰（1985-），男，重慶通信學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為高溫孔口的紅外隱身，E-mail：tangxiaojie198577@163.com。