波瓣噴管紅外抑制器紅外輻射特性的數(shù)值研究

楊智惠，韓玉閣，任登鳳

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波瓣噴管紅外抑制器紅外輻射特性的數(shù)值研究

楊智惠，韓玉閣，任登鳳

（南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

對具有不同尾緣形狀的兩種波瓣噴管紅外抑制器的紅外輻射特性進(jìn)行數(shù)值研究。在流場計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，計算了不同探測方位角下，兩種紅外抑制器在3～5mm波段的紅外輻射亮度和點源探測功率，對兩種紅外抑制器的紅外隱身性能進(jìn)行評估。研究結(jié)果表明，交變波瓣噴管的引射摻混性能較普通波瓣噴管好，明顯降低了混合管壁面和尾焰氣體的溫度；在相同探測條件下，交變波瓣噴管紅外抑制器在3～5mm波段的紅外抑制效果優(yōu)于普通波瓣噴管紅外抑制器，前者比于后者，最大可分別降低固體壁面和尾焰氣體探測功率15.7%和13.3%，整體探測功率降低14.5%，有利于紅外隱身性能的提高。結(jié)果還顯示，固體壁面輻射約占紅外抑制器整體輻射的80%。因此，對紅外抑制器進(jìn)行優(yōu)化時，應(yīng)能有效降低固體壁面輻射。

波瓣噴管；紅外抑制器；紅外輻射特性；尾焰輻射；紅外輻射亮度；探測功率

0 引言

隨著紅外探測技術(shù)的飛速發(fā)展，武裝直升機(jī)的生存安全受到嚴(yán)重威脅。紅外抑制器是提高直升紅外隱身性能的有效方法，其中主噴管為波瓣噴管的紅外抑制器應(yīng)用更為廣泛，波瓣噴管對紅外抑制器的性能存在較大的影響[1-3]。

國內(nèi)外對波瓣噴管進(jìn)行了一系列數(shù)值和實驗研究，主要研究波谷深度相同的普通波瓣噴管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射摻混性能和紅外輻射特性的影響[4-9]。對于波谷深淺交替排列的交變波瓣噴管的研究較少，且主要針對該噴管摻混機(jī)理進(jìn)行分析[10]，對其紅外輻射特性影響分析的報道較少。

采用數(shù)值模擬方法，計算了尾緣形狀為波谷深淺交替排列的交變波瓣噴管和尾緣形狀為波谷均相同的普通波瓣噴管的兩種紅外抑制器的流場參數(shù)，比較其引射摻混性能，并在此基礎(chǔ)上，編寫紅外輻射計算程序，計算不同探測方位角下紅外抑制器的紅外輻射亮度分布和點源探測功率，評估兩者在3～5mm波段的紅外輻射特性，比較分析不同波瓣噴管紅外抑制器的抑制性能。

1 物理模型

兩種波瓣噴管分別與文獻(xiàn)[10]提及的平端面交變波瓣噴管和基準(zhǔn)波瓣噴管幾何形狀相似，如圖1的(a)、(b)所示，(a)為交變噴管，深淺波谷交替排列，(b)為普通的波瓣噴管，波谷均相同。文中分別稱為nozzle1和nozzle2。噴管直徑為200mm，波峰處直徑為275mm，nozzle1深、淺波谷處直徑分別為75mm和146.85mm，nozzle2波谷處直徑為120mm，噴管出口面積近似相等，約0.0316m2，其余參數(shù)如圖1所示。波瓣噴管出口與混合管入口平齊，混合管直徑為350mm，長525mm。整體計算模型如圖1(c)所示，外流域相對于紅外抑制器足夠大，為了保證計算精度，同時減少網(wǎng)格數(shù)，在靠近紅外抑制器的流場變化較為劇烈的地方建立了網(wǎng)格加密區(qū)，對網(wǎng)格進(jìn)行加密。

2 數(shù)值計算方法

利用Fluent軟件計算出兩種波瓣噴管紅外抑制器模型的壁面溫度及尾焰流場參數(shù)，包括溫度、壓力以及二氧化碳和水蒸氣等氣體的摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用編寫的基于逆向蒙特卡洛法的固體壁面輻射及尾焰氣體輻射的計算程序，計算評估兩種波瓣紅外抑制器在3～5mm波段的紅外輻射特性。

獲得流場的壓力分布、溫度分布以及二氧化碳、水蒸氣等組分濃度分布是評估目標(biāo)紅外輻射特性的前提。因此，在流場計算中，采用Realizable k-e湍流模型，更好地模擬波瓣噴管引射產(chǎn)生的二次流等；采用離散坐標(biāo)輻射DO模型，計算尾焰與固體壁面，以及壁面之間的熱輻射換熱；組分輸運模型用于計算流場組分濃度分布，波瓣噴管入口尾焰質(zhì)量流量設(shè)為0.915kg/s，溫度為870K，并假設(shè)為航空煤油完全燃燒氣體，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，氮氣、二氧化碳和水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.706、0.209和0.085。假設(shè)波瓣噴管紅外抑制器引射的冷空氣中，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.244，氮氣為0.756，溫度為287K。波瓣噴管的引射使冷空氣從外流域壓力邊界流入，進(jìn)入混合管與熱排氣摻混，降低排氣溫度。計算采用壓力與速度耦合Coupled算法，庫朗數(shù)為200，二階迎風(fēng)格式離散動量和能量方程。

為了衡量兩種波瓣噴管的紅外抑制效果，在Fluent計算得到溫度場、壓力場及組分場結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立紅外輻射計算模型，計算兩種紅外抑制器在3～5mm波段的紅外輻射特性，包括不同方位角的紅外輻射亮度分布和點源探測功率。紅外輻射亮度分布圖可以顯示具體位置的紅外特征，點源探測功率是在一定條件下，將目標(biāo)視作點源，而不是擴(kuò)展源時，探測器接收到的目標(biāo)能量，可以衡量目標(biāo)被探測器發(fā)現(xiàn)的概率。通常來說，當(dāng)觀測距離大于目標(biāo)本身尺度的30倍時，就可以把目標(biāo)輻射源視作點源[11]。因此，假設(shè)探測距離為1000m，混合管固體壁面和（或）尾焰，對于探測器可近似為點源，計算不同方位角的點源探測功率。且計算時，不考慮大氣傳輸過程的衰減，僅考慮尾焰的影響。紅外輻射特性計算時的探測點分布如圖2所示，探測平面為坐標(biāo)平面，探測方位角范圍0°～90°，其中0°正對目標(biāo)側(cè)面，90°正對尾焰口，探測中心點為（0.525,0,0），即混合管出口的中心點，探測器面積為0.001m2。

圖2 探測點分布示意圖

3 計算結(jié)果與分析

3.1 引射摻混計算結(jié)果與分析

nozzle1和nozzle2引射摻混計算得到壓力場、溫度場和二氧化碳、水蒸氣等尾焰氣體組分場，圖3(a)為網(wǎng)格加密區(qū)對稱截面上的壓力云圖，(b)為網(wǎng)格加密區(qū)對稱截面以及混合管內(nèi)不同橫截面上的溫度云圖。其中，左圖為nozzle1的結(jié)果，右圖為nozzle2的結(jié)果，(c)為軸線上的溫度曲線，即最高溫度曲線，橫坐標(biāo)/中為距離波瓣噴管出口距離，為波瓣噴管直徑。表1為nozzle1與nozzle2的引射摻混結(jié)果對比數(shù)據(jù)，其中，引射流量比和混合管出口熱混合效率tr的計算公式如式(1)、(2)所示[10]：

＝s/p(1)

式中：p為主流質(zhì)量流量，即噴管入口質(zhì)量流量；s為次流質(zhì)量流量，即引射進(jìn)入混合管的冷空氣質(zhì)量流量；s為摻混前冷空氣溫度；m摻混流體溫度；M為主、次流完全摻混后的溫度，見式(3)[10]：

結(jié)合圖3(a)和表1可知，nozzle1深波谷的存在使得混合管軸心處的負(fù)壓比nozzle2的負(fù)壓低，引射流量比大，引射更多的冷空氣，并深入熱排氣中心摻混，降低熱排氣的溫度，在混合管出口截面的最高溫度比nozzle2低62.63K。圖3(b)的溫度云圖體現(xiàn)了混合管內(nèi)熱排氣與冷空氣的摻混過程，nozzle1和nozzle2摻混冷、熱氣流的效果不同。其中，nozzle1的深波谷使得引射的冷氣流可以深入到混合管軸心附近，減小軸心的高溫區(qū)域，而淺波谷的冷空氣在較靠近混合管壁面處與熱氣流摻混，雖然摻混平緩，但能降低壁面溫度，最終比nozzle2混合管壁面平均溫度降低20.73K，深淺波谷共同使得混合管截面溫度分布更均勻，熱混合效率更高。相反，nozzle2的波谷深度較nozzle1的深波谷淺，較淺波谷深，相比nozzle1，其混合管壁面溫度較高，軸心的高溫范圍也較大，混合管各截面的溫度分布均勻性不如nozzle1，軸心最高溫度以及靠近混合管壁面的溫度均高于nozzle1。觀察圖3(c)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)/小于11，即距離噴管小于2.2m時，nozzle1軸線溫度比nozzle2低，且相差大，當(dāng)/大于11后，二者差距小。兩種噴管對于尾焰氣體組分分布的影響與溫度相似。

圖3 流場計算結(jié)果云圖

表1 nozzle1和 nozzle2的引射摻混結(jié)果

兩種噴管摻混的不同，是由于具有不同噴管尾緣形狀，產(chǎn)生影響摻混效果的流向渦的形態(tài)大不相同，如圖4所示，分別為nozzle1和nozzle2在截面/＝0.5處的流向渦分布圖。從圖中看出，流向渦的形態(tài)與波瓣噴管出口尾緣形狀相似，nozzle1的流向渦存在長短不同的兩種，其中較狹長的流向渦使得引射的冷氣流可以更加深入軸心，降低溫度，較短的流向渦促進(jìn)靠近混合管壁面的摻混，不同形態(tài)的流向渦使摻混較nozzle2均勻，降低混合管壁面溫度及尾焰軸心溫度。

圖4 X/D＝0.5時的流向渦分布圖

3.2 紅外輻射特性計算結(jié)果與分析

3.2.1 紅外輻射亮度分布結(jié)果與分析

當(dāng)探測方位角為0°時，nozzle1、nozzle2的目標(biāo)紅外輻射亮度分布分別如圖5(a)、(b)所示。對比(a)和(b)，根據(jù)圖像灰度可以看出，nozzle2的混合管壁面及距離混合管出口較近的一段尾焰的紅外輻射亮度較nozzle1的大，而遠(yuǎn)處的尾焰差別不明顯，這與流場結(jié)果分布一致，nozzle1混合管壁面溫度和較近的尾焰軸心溫度以及組分濃度均低于nozzle2，距離較遠(yuǎn)時，相差不大。為了更直觀地進(jìn)行對比，按照圖(c)示意的取點方法，取(a)和(b)上相應(yīng)位置的輻射亮度值，作亮度隨位置變化的曲線，如圖5(d)所示。從紅外輻射亮度曲線可以看出，在第3個取點處，nozzle1的固體壁面紅外輻射亮度僅為nozzle2的56.56%，第13個取點處，nozzle1的尾焰氣體紅外輻射亮度約為nozzle2的61.38%，而在第30個取點之后，曲線幾乎重合，兩者的差別很小，這是因為離開混合管一定距離之后的尾焰組分和溫度分布相近，紅外輻射亮度值相差小。但無論是nozzle1還是nozzle2，混合管固體壁面的紅外特征明顯高于氣體的紅外特征，固體紅外輻射為主要輻射。當(dāng)探測方位角為45°時，結(jié)果如圖6所示，同樣能比較得到，nozzle1混合管固體壁面以及一段距離的尾焰紅外輻射亮度均低于nozzle2。當(dāng)探測方位角為90°時，兩者紅外輻射亮度分布圖相近，亮度曲線幾乎重合，如圖7所示。

圖5 方位角為0°時的紅外輻射亮度分布圖及曲線

Fig.5 Distribution of infrared radiation intensity(azimuth＝0°)

圖6 方位角為45°時的紅外輻射亮度分布圖及曲線

Fig.6 Distribution of infrared radiation intensity(azimuth＝45°)

圖7 方位角為90°時的紅外輻射亮度分布圖及曲線

Fig.7 Distribution of infrared radiation intensity(azimuth＝90°)

綜上所述，nozzle1能更好地抑制固體壁面和尾焰的紅外特征，特別是通過降低混合管壁面溫度而大大減少固體紅外輻射。

3.2.2 點源探測功率結(jié)果與分析

尾焰中二氧化碳和水蒸氣等組分的存在，使得尾焰的輻射和吸收具有一定的選擇性和容積性。圖8(a)和(b)分別為文獻(xiàn)[12]提供的高溫排氣中二氧化碳和水蒸氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，3～5mm波段的光譜吸收系數(shù)曲線，可見兩種氣體具有很強(qiáng)的光譜選擇性。而圖8(c)為nozzle1在探測方位角為0°時，尾焰的光譜點源探測功率曲線，對比可見，尾焰的點源探測功率也體現(xiàn)了光譜選擇性。

nozzle1和nozzle2在不同探測方位角下，3～5mm波段的點源探測功率分布如圖8(d)所示，包括固體壁面探測功率，尾焰氣體探測功率以及目標(biāo)整體探測功率。結(jié)果顯示，在整體探測功率中，固體壁面所占份額遠(yuǎn)大于氣體，計算知nozzle1、nozzle2的固體壁面探測功率最大份額分別為87.6%和86.6%，最小為74.0%和74.5%；在不同探測方位角下，無論是固體壁面探測功率，還是尾焰氣體探測功率，或者目標(biāo)整體探測功率，nozzle1均小于nozzle2。對比固體壁面探測功率時，nozzle1最大可降低nozzle2的15.7%，對比氣體探測功率時，nozzle1最大可降低nozzle2的13.3%，對于整體探測功率，nozzle1比nozzle2最大降低了14.5%，固體壁面探測功率的減小值占其中的76.9%，尾焰占23.1%。這一方面說明nozzle1比nozzle2的紅外抑制效果好，既可以降低固體壁面紅外輻射，又可以降低尾焰氣體紅外輻射，另一方面說明固體壁面輻射占整體輻射的主導(dǎo)地位，nozzle1主要通過降低混合管壁面的紅外輻射達(dá)到降低整體紅外輻射的效果。

觀察圖8(d)不同方位角下的點源探測功率分布形狀可知，當(dāng)探測中心為（0.525,0,0），探測距離為1000m時，隨著探測方位角的增大，固體壁面的探測功率先減小后增大，0°最大，60°最??；尾焰氣體的探測功率先增大，后減小，15°最大，90°最??；目標(biāo)整體的探測功率同樣是先減小后增大，0°最大，而75°最小，90°時的整體功率值小于固體壁面的探測功率。固體壁面探測功率值取決于固體壁面相對于探測器的可見面積和壁面溫度分布情況，方位角為0°時，可見面積最大，壁面溫度也相對較高，固體探測功率最大，隨著方位角的增大，可見面積減少，固體探測功率逐漸減少，60°達(dá)到最小，當(dāng)方位角繼續(xù)增大時，由于探測器方向與噴管口漸漸相對，溫度最高的噴管入口可見面積增大，固體探測功率又隨之增大，直至90°。氣體尾焰探測功率一方面受尾焰中的溫度及組分分布的影響，另一方面受氣體輻射到達(dá)探測器過程中經(jīng)過的氣體行程長度影響，綜合影響下，15°時的尾焰氣體輻射最大。目標(biāo)整體的探測功率不是固體壁面探測功率和氣體探測功率的簡單相加，而是二者相互影響的結(jié)果，且固體壁面的影響較大。當(dāng)方位角為0°時，探測器正對目標(biāo)的側(cè)面，固體輻射探測功率為最大值，且尾焰氣體對固體壁面的紅外輻射不存在吸收衰減作用，所以目標(biāo)的整體探測功率為固體和氣體探測功率的和，為最大值。整體探測功率在75°時最小，而不是60°的原因是75°相對60°的固體壁面探測功率的增加小于氣體的吸收而導(dǎo)致的功率的減少。探測方位角為90°時，由于尾焰氣體對固體輻射的吸收大于氣體本身輻射，使得整體探測總功率小于固體探測功率。

圖8 點源探測功率結(jié)果圖

4 結(jié)論

1）具有深、淺波谷的交變波瓣噴管紅外抑制器，引射流量比和熱混合效率均高于普通的波瓣噴管，有效降低了混合管壁面和尾焰氣體的平均溫度；

2）交變波瓣噴管在3～5mm波段的紅外抑制效果優(yōu)于普通波瓣噴管，可同時降低固體壁面和尾焰氣體的紅外輻射特征，最大降低固體探測功率15.7%，降低氣體探測功率13.3%，整體探測功率則降低14.5%，大大降低了被紅外探測器發(fā)現(xiàn)的概率；

3）在紅外抑制器整體輻射中，固體壁面輻射約占80%。因此，紅外抑制器的優(yōu)化應(yīng)該有效降低固體壁面的輻射，即降低壁面的溫度；

4）當(dāng)探測方位角為75o時，在固體壁面輻射和尾焰氣體輻射的相互影響下，紅外抑制器整體點源探測功率最小。

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Numerical Research on the Infrared Radiation Characteristics of the Lobed Nozzle Infrared Suppressor

YANG Zhihui，HAN Yuge，REN Dengfeng

(，，210094，)

A research on the infrared radiation characteristics of two kinds of lobed nozzle infrared suppressors with different trailing edges was performed using numerical methods. Based on the calculation results of flow field, the infrared radiation intensity and the point source detection power in 3-5mm band were calculated under different detecting azimuths, with the infrared stealth performance being evaluated at the same time. The results show that the pumping and mixing performance of the alternating lobed nozzle is better than the ordinary one, which obviously decreases the temperature of both the mixing duct and the plume. When compared the effects of the infrared radiation suppressing in 3-5mm band under the same detection conditions, the alternating lobed nozzle is superior to the ordinary lobed nozzle. The former decreased the detection power of solid wall, plume and overall by 15.7%, 13.3% and 14.5% respectively compared to the latter in the best situation, and it is conducive to the improvement of infrared stealth performance. The results also show that radiation of the solid wall accounts for almost 80% of the overall radiation. Therefore, it should be able to effectively reduce the solid wall radiation when optimizing the infrared suppressors.

lobed nozzle，infrared suppressor，infrared radiation characteristics，plume radiation，infrared radiation intensity，detection power

TN21

A

1001-8891(2017)07-0615-06

2016-09-04；

2016-12-21.

楊智惠（1991-），女，碩士研究生，主要從事目標(biāo)紅外輻射特性方面的研究。

任登鳳（1978-），女，江蘇泰州人，副教授，主要研究方向：目標(biāo)紅外輻射特性的模擬與仿真。E-mail：rendengfeng@njust.edu.cn。