航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射測(cè)量與數(shù)值計(jì)算比較研究

趙會(huì)妮，熊兵，周兵，吉洪湖

(1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射測(cè)量與數(shù)值計(jì)算比較研究

趙會(huì)妮1，熊兵1，周兵2，吉洪湖2

(1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016)

評(píng)估航空發(fā)動(dòng)機(jī)紅外隱身性能，需獲取其排氣系統(tǒng)的紅外輻射強(qiáng)度。介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射測(cè)量方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證得到了3～5 μm的紅外輻射特征。采用反向蒙特卡洛法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算中將固體壁面的反射特性分別設(shè)為漫反射體和鏡面反射體，并將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：兩者分布規(guī)律一致，但將壁面的反射特性作為鏡面反射處理時(shí)，計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差明顯減小。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；排氣系統(tǒng)；紅外隱身；紅外光譜輻射計(jì)；探測(cè)角；紅外輻射特征；光譜輻射強(qiáng)度；積分輻射強(qiáng)度

1 引言

隨著紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)紅外隱身性能的要求越來越高。根據(jù)斯蒂芬-波耳茲曼定律，輻射通量密度與絕對(duì)溫度的四次方成正比，極小的溫度改變都會(huì)引起輻射功率密度很大的變化[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)(包括封閉腔和尾噴流)具有很高的溫度，極易成為紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈探測(cè)的目標(biāo)，嚴(yán)重威脅戰(zhàn)斗機(jī)的生存。因此，研究發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射強(qiáng)度對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)的運(yùn)行安全具有重大意義。鄧洪偉等[2-3]基于N-S方程建立了某型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及其噴流流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算模型，利用輻射傳輸方程積分法編制了紅外輻射特征計(jì)算程序，得到了噴管在非加力狀態(tài)下工作時(shí)的紅外輻射特征分布。同時(shí)，還利用模型試驗(yàn)測(cè)量得到噴管的紅外輻射特征分布，對(duì)比分析了3～5 μm的紅外輻射特征數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，顯示兩個(gè)結(jié)果吻合良好。羅明東等[4]通過理論分析及使用傅立葉變換紅外光譜儀，提出一種有效測(cè)量紅外光譜輻射強(qiáng)度的方法。該方法能有效獲取排氣系統(tǒng)中的紅外光譜輻射強(qiáng)度，具有工程實(shí)用價(jià)值。

由于排氣系統(tǒng)紅外輻射測(cè)試耗時(shí)較長、過程復(fù)雜，需要的人員較多，且測(cè)量采用的紅外光譜輻射儀器價(jià)格昂貴，因此研究一種可靠的數(shù)值計(jì)算方法至關(guān)重要。本文利用BOMEM公司MR100型傅立葉變換紅外光譜儀，測(cè)量排氣系統(tǒng)的紅外輻射強(qiáng)度，并參考文獻(xiàn)[4]中關(guān)于對(duì)傅立葉變換紅外光譜儀的修正方法與測(cè)量方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，采用反向蒙特卡洛法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算中將固體壁面的反射特性分別設(shè)為漫反射體與鏡面反射體。最后，分別對(duì)比分析了試驗(yàn)值與兩種計(jì)算值的誤差，確定出一種誤差較小的排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算方法。

2 排氣系統(tǒng)噴流紅外輻射特征計(jì)算方法

2.1 排氣系統(tǒng)流場(chǎng)計(jì)算方法[5]

排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的計(jì)算在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過流場(chǎng)計(jì)算確定紅外輻射特征計(jì)算壁面網(wǎng)格的溫度、壓力及燃?xì)饨M分濃度等。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)計(jì)算的基本方程由雷諾時(shí)均方程控制，包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分質(zhì)量守恒方程。流場(chǎng)的計(jì)算域?qū)儆谌S問題，但存在對(duì)稱性，因此采用1/2實(shí)際模型作為計(jì)算域。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算域如圖1所示。排氣系統(tǒng)噴管出口直徑為Dout，計(jì)算域直徑為13Dout，噴管出口下游計(jì)算長度為24Dout。

內(nèi)外涵均為定流量進(jìn)口邊界條件，根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)設(shè)置值確定內(nèi)外涵進(jìn)口流量、總溫，出口壓力、總溫；外流邊界為壓力出口邊界條件；腔體壁面均為流固耦合邊界條件，壁面發(fā)射率[6-7]測(cè)量值為0.7。

流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示，在排氣系統(tǒng)內(nèi)部區(qū)域及壁面附近進(jìn)行加密處理，沿噴流下游方向網(wǎng)格逐漸變稀疏。

2.2 排氣系統(tǒng)紅外輻射特征計(jì)算方法[8-9]

首先，按照熱輻射傳輸方程的微分積分方程計(jì)算排氣系統(tǒng)紅外輻射特征值，采用反向蒙特卡羅法求解輻射亮度傳輸方程。該方程[10]描述了輻射能量在介質(zhì)中沿著射線傳輸過程中能量的變化與吸收、發(fā)射和散射的相互關(guān)系，是一個(gè)射線傳輸方向上的能量平衡方程，其形式如下：

式中：Lλb為黑體的光譜輻射亮度，αλ、σsλ分別為吸收和散射系數(shù)，Φ(λ,ω,ωi)表示相函數(shù)。

其次，確定紅外輻射特征的計(jì)算域及壁面網(wǎng)格。計(jì)算域?yàn)閳A柱體，長度根據(jù)探測(cè)器至發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口的連線與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的夾角α=90°時(shí)，探測(cè)器視場(chǎng)在目標(biāo)處的最大直徑DFOV加上排氣系統(tǒng)模型的自身長度Lengine確定，見圖3。圓柱體直徑約為5Dout。尾噴管的軸向、周向和徑向三個(gè)方向的劃分?jǐn)?shù)分別為200、100和60。紅外輻射計(jì)算的壁面網(wǎng)格如圖4所示，均為三角網(wǎng)格，總數(shù)為13 142。

最后，根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算值及試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行排氣系統(tǒng)紅外輻射特征計(jì)算。中心錐、支板、內(nèi)外涵混合器、加力筒體和噴管等部件的壁面溫度可根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量值給定，其余部件的溫度按流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果給定。各部件的發(fā)射率按照測(cè)量[6-7]結(jié)果給定。燃?xì)饬鞯臏囟葓?chǎng)、組分濃度場(chǎng)和壓力場(chǎng)均按流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果給定，見圖5～圖7。H2O和CO的分布規(guī)律與CO2的類似，最大值分別為CO2的40%和1%。發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管距傅里葉紅外光譜儀為34.5 m，考慮到大氣吸收和衰減，大氣透過率采用計(jì)算值，見圖8。

3 排氣系統(tǒng)模擬試驗(yàn)測(cè)試方法

試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺(tái)由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣模擬子系統(tǒng)、主流子系統(tǒng)、外涵子系統(tǒng)等組成，可對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和噴流流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)由傅立葉變換紅外光譜輻射計(jì)、采集電腦和標(biāo)定黑體組成，見圖9。光譜輻射計(jì)為加拿大BOMEM公司的MR100型。標(biāo)定黑體是上海福源光電研究所研制的HFY-301A型。試驗(yàn)在夜晚、無風(fēng)、晴朗天氣下進(jìn)行。

為減小測(cè)量誤差、提高測(cè)量精度，試驗(yàn)前使用高低溫黑體對(duì)傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行標(biāo)定[3]，獲取修正系數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量過程中，由于光譜儀響應(yīng)特性漂移及內(nèi)部熱輻射變化，導(dǎo)致測(cè)量誤差不斷增加。再次使用中溫黑體進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，獲得實(shí)時(shí)修正系數(shù)。

探測(cè)器(傅里葉變換光譜輻射計(jì))以噴管出口為圓心，沿半徑為R=34.5 m的1/4水平圓形為軌道移動(dòng)，探測(cè)角度α隨著探測(cè)器的移動(dòng)而變化。設(shè)定試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)試驗(yàn)狀態(tài)保持穩(wěn)定時(shí)開始測(cè)量。沿預(yù)定軌道移動(dòng)紅外測(cè)量系統(tǒng)，分別測(cè)量α=0°、5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°、90°共10個(gè)探測(cè)角度的紅外輻射強(qiáng)度，測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

4 結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)腔體模型的紅外輻射特征，進(jìn)行光譜強(qiáng)度對(duì)比分析和積分輻射強(qiáng)度空間分布對(duì)比分析。

4.1 光譜輻射強(qiáng)度對(duì)比分析

圖11示出了部分基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比。由圖可知：當(dāng)將所有部件當(dāng)成漫反射體時(shí)，光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算值在α=0°、5°、10°、45°、60°和90°這6個(gè)探測(cè)角度與試驗(yàn)值吻合較好，而在α=15°、20°和30°這3個(gè)角度上吻合較差；當(dāng)將加力筒體當(dāng)作鏡反射體、其他部件當(dāng)作漫反射體時(shí)，光譜輻射強(qiáng)度計(jì)算值在所有角度上都與試驗(yàn)值吻合較好。這表明了將試驗(yàn)?zāi)Ｐ图恿ν搀w處理為鏡反射體的必要性。

由圖還可知，3～5 μm波段內(nèi)，除固體輻射外，影響最大的就是CO2在4.27 μm附近的吸收發(fā)射帶。計(jì)算得到的峰值分布位置與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，這說明吸收系數(shù)在光譜分布上合理。但在峰值高度和寬度上，計(jì)算值與試驗(yàn)值還有一定差異，這可能是由于流場(chǎng)計(jì)算得到的噴流溫度分布及組分濃度分布與實(shí)際有一定差別所致，不過已基本可滿足目前的工程應(yīng)用。

表1 基準(zhǔn)模型積分輻射強(qiáng)度計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比及誤差Table 1 Comparison and error between the calculated and experimental results of the reference exhaust system model

4.2 積分輻射強(qiáng)度空間分布對(duì)比分析

圖12示出了基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型積分輻射強(qiáng)度空間分布計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比，從圖中可得到與光譜輻射強(qiáng)度類似的結(jié)論。

表1示出了基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型積分輻射強(qiáng)度計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比及誤差。由表可知：將各部件作為漫反射體時(shí)，誤差略大的兩個(gè)探測(cè)角度是20°和30°，誤差絕對(duì)值達(dá)到了30%以上，其他探測(cè)角度的誤差在±20%以內(nèi)；將加力筒體作為鏡反射體、其他部件作為漫反射體時(shí)，除90°為12.42%外，其他探測(cè)角的誤差縮小到±10%以內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)壁面反射特性對(duì)紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果有明顯影響。對(duì)于本文的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，加力筒體表面光亮，明顯不同于其他部件，將該部件作為漫反射體時(shí)，當(dāng)探測(cè)角度為20°或者30°，紅外輻射強(qiáng)度的計(jì)算誤差絕對(duì)值達(dá)到30%以上，而將該部件處理為鏡反射體時(shí)上述兩個(gè)角度的計(jì)算誤差絕對(duì)值降低到10%以下。

(2)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算得到的基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型的光譜輻射強(qiáng)度和積分輻射強(qiáng)度與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分布規(guī)律一致，吻合良好。本文的計(jì)算方法可較為準(zhǔn)確地計(jì)算渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征。該數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其他發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征的數(shù)值模擬提供了事實(shí)依據(jù)與技術(shù)支撐。

[1]周世椿.高級(jí)紅外光電工程導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[2]鄧洪偉，邵萬仁，周勝田，等.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管紅外輻射特征數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，36(1)：44—48.

[3]鄧洪偉，周勝田，邵萬仁，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射特征數(shù)值計(jì)算研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，35(1)：26—28.

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Comparative study on infrared radiation measurement and numerical calculation of aero-engine exhaust system

ZHAO Hui-ni1，XIONG Bing1，ZHOU Bing2，JI Hong-hu2
(1.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China；2.College of Energy and Power，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

It is required to obtain the infrared radiation intensity value to evaluate the stealth performance of the aero-engine exhaust system.Test method of infrared radiation measurement for aero-engine exhaust system was introduced,the infrared radiation characteristic distribution of 3～5 μm was obtained by the veri?fication.The infrared radiation characteristics were calculated by the reverse Monte Carlo method.The sol?id wall reflection characteristics were divided into diffuse reflection and mirror reflection when calculated. Finally,the numerical results and the experimental results were analyzed.The results show that the distribu?tion of the two values is consistent.But when the reflection property of the wall is used as the mirror reflec?tion,the error of the calculated value and the experimental value is obviously decreased.

aero-engine；exhaust system；FTIR；infrared spectrum radiometer；detection angle；infrared radiation characteristics；spectral radiant intensity；integral radiant intensity

V231.3

：A

：1672-2620(2017)01-0036-05

2016-02-26；

：2016-08-26

趙會(huì)妮(1984-)，女，陜西富平人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)特種測(cè)試工作。