低可探測雙S彎噴管紅外輻射特征研究

周孝明，單 勇，宮 禹，譚曉茗

(1.南京航空航天大學 能源與動力學院, 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室， 南京 210016;2.沈陽飛機設計研究所， 沈陽 110035)

20世紀80年代以來，紅外探測器在各種探測器中比例已經(jīng)達到30%[1]，僅次于雷達探測器，而近年來的局部戰(zhàn)爭中，70%～80%被導彈擊落的飛機均為紅外制導導彈所為[2-4]，飛機受到的威脅日益嚴重，對紅外隱身的要求也越來越高[5-8]。

飛機的主要紅外輻射來源于發(fā)動機高溫熱部件和發(fā)動機熱噴流[9]，因此排氣系統(tǒng)的紅外輻射抑制技術(shù)水平是提高飛機紅外隱身能力的關(guān)鍵。在眾多的排氣噴管中，二元S彎噴管是一種具備紅外抑制能力的排氣噴管。一方面，它能遮擋排氣系統(tǒng)內(nèi)部高溫部件產(chǎn)生的熱輻射；另一方面，圓轉(zhuǎn)矩形過渡強化了發(fā)動機內(nèi)、外涵氣流以及熱排氣、環(huán)境冷氣的混合，降低了發(fā)動機渦輪后的排氣溫度，縮減了噴流核心區(qū)長度[10]。Johansson[11]等計算了低可探測二元S彎噴管的紅外輻射特性，并與傳統(tǒng)軸對稱噴管進行對比。Darrell S.Crowe等[12]研究了S彎噴管幾何結(jié)構(gòu)對噴口溫度場的影響。章葉川等[13]基于分區(qū)控制技術(shù)對雙S彎噴管進行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)：雙S彎噴管寬邊探測面紅外輻射強度低于窄邊探測面紅外輻射強度，最大降幅達到80%。高翔等[14]和王丁等[15]分別研究了出口形式和截面變化類型對雙S形二元排氣系統(tǒng)紅外性能的影響。張勃等[16]對不同形式噴管的紅外輻射特性就行了實驗研究，結(jié)果表明：在噴管正后方，相對軸對稱噴管、矩形噴管與S彎噴管紅外抑制效果分別達到35.2%和80.2%。然而，目前公開發(fā)表的文獻中，設計參數(shù)對完全遮擋的二元雙S彎噴管紅外輻射特性影響的系統(tǒng)研究還比較少。

本文設計了后向視線上可實現(xiàn)完全遮擋噴管入口的二元雙S彎噴管，分析了二元雙S彎噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對其紅外輻射特征的影響，并與軸對稱噴管進行比較。

1 數(shù)值計算模型和方法

1.1 物理模型及邊界條件

設計滿足完全遮擋條件(見圖1，在噴管后半球，無論從哪個方向都無法可視噴管入口平面)的二元雙S彎噴管以及與二元雙S彎噴管進、出口面積和長度均相等的軸對稱噴管，選取了如圖2所示的出口寬高比W/H、偏距比S/D和長徑比L/D三個結(jié)構(gòu)參數(shù)以及噴管進氣溫度進行紅外輻射特性影響的系統(tǒng)研究。計算所用的噴管模型如圖3所示，中間型面均用超橢圓過渡。

圖1 完全遮擋的約束條件

圖2 雙S彎噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 雙S彎噴管

在噴管出口下游構(gòu)建了噴流發(fā)展的外流場區(qū)域，計算域邊界條件如圖4所示，噴管進口采用壓力進口，噴管落壓比NPR取1.5，進口總溫T1*=440 K；壓力出口邊界的壓力和溫度分別設置為P0=22 700 Pa，T0=216 K，以模擬11 km高空環(huán)境；壓力遠場邊界設置Ma=0.7，以模擬飛行來流，且來流方向與噴管進口軸線平行；噴管壁面采用無滑移絕熱壁面。

計算網(wǎng)格如圖5所示，整個計算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對壁面處網(wǎng)格進行局部加密處理，近壁第1層網(wǎng)格高度為0.05 mm，以1.1的比例增長，計算結(jié)果表明壁面y+<5。經(jīng)過網(wǎng)格試驗，當網(wǎng)格總量達350萬時，噴管沿程壓力和出口平均馬赫數(shù)不隨網(wǎng)格量增加而改變。

圖4 邊界條件

圖5 計算網(wǎng)格示意圖

1.2 計算方法及驗證

流場計算采用商用Fluent軟件，參考國外雙S彎噴管研究選用Standardk-ε湍流模型[17]，計算中考慮組分輸運，采用基于壓力的求解器、二階迎風格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。

在Fluent計算湍流模型中加入氣體組分的計算來充分考慮氣體輻射問題，噴管進口氣體假設為燃燒完全的高溫氣體，成分只有氮氣、二氧化碳和水蒸氣，化學反應方程為

C12H24+18O2=12CO2+12H2O

(1)

外場進口氣體設為環(huán)境大氣，其考慮成分為氮氣和氧氣，噴管進口和環(huán)境氣體成分的質(zhì)量分數(shù)定義如表1所示。

紅外輻射計算所需流場區(qū)域的靜溫、靜壓值、H2O和CO2的摩爾百分比以及噴管進、出口及壁面的靜溫值均由Fluent軟件輸出。

紅外輻射計算采用基于正反光線蹤跡法原理編寫的計算程序，計算結(jié)果的可靠性已通過驗證[18-23]。正反光線蹤跡法的主要思路是從接收點(測點)向外發(fā)射和跟蹤光束(如圖6所示)。

表1 氣體組分體積分數(shù)

氣體組分CO2H2OO2N2噴管進口0.2090.08500.706環(huán)境空氣000.2330.767

圖6 正反光線蹤跡法示意

當光束投射到模型表面被吸收時，就認為沿該光束的路徑上有一束能量能夠反向到達測點，經(jīng)多次發(fā)射—跟蹤—反向接收后，統(tǒng)計所得到的光束信息，獲得所需要的結(jié)果。如果固體壁面有反射，則利用蒙特卡羅法的概率模型確定其反射方向，按照上面過程繼續(xù)跟蹤，直到它被吸收或逸出流場為止。

在跟蹤了N束光線后，可以獲得在視場角(FOV)內(nèi)的到達測點的輻射照度H(W/cm2)，定義如下：將探測目標作為點源處理，其輻射強度I(W/Sr)可表示為I=H·R2，其中R為探測距離。

(2)

式中：NB為總波帶數(shù)；Nabs為對測點有貢獻的光線總數(shù)；θj是入射光線的天頂角；Δσi是第i個波帶的寬度；FOV是測點對目標表面所張的立體角。

圖7顯示了水平、垂直面內(nèi)的探測角度分布情況。鑒于噴管出口呈現(xiàn)二元的幾何特征，需要從兩個相互正交的方向進行輻射強度的探測。探測點分布在以噴管入口截面的中心位置為圓心、60 m為半徑(即探測距離為60 m)，在水平、垂直面內(nèi)畫出的圓弧上。本文紅外輻射計算壁面發(fā)射率均為0.75。

圖7 探測位置的空間分布

2 結(jié)果分析

圖8給出了雙S彎噴管內(nèi)流場及馬赫數(shù)分布，可以看到氣流沿噴管逐漸加速，除在兩段S彎拐點處均存在明顯的局部高速區(qū)外，計算所用的噴管內(nèi)流場穩(wěn)定，未出現(xiàn)畸變，氣動性能良好。

圖8 雙S彎噴管內(nèi)流場

圖9給出了各參數(shù)對噴管推力系數(shù)(實際推力與理想推力之比)的影響，可以看到寬高比W/H=5以及偏距比S/D=0.25時，噴管氣動性能最佳；而推力系數(shù)則隨長徑比增加呈現(xiàn)出先增加后不變的規(guī)律，L/D≥3.5時，推力系數(shù)變化幅度不超過0.5%。

圖9 噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力系數(shù)的影響

不同寬高比下各個視角的壁面溫度分布如圖10所示。可以看到：兩段S彎轉(zhuǎn)彎處的背風側(cè)均會產(chǎn)生局部低溫區(qū)。從后視圖中可以發(fā)現(xiàn)：軸對稱噴管可以直接探測到噴管的高溫入口，而二元雙S彎噴管則實現(xiàn)了對入口的完全遮擋。

雙S彎噴管排氣系統(tǒng)的紅外輻射源主要有尾噴流以及噴管壁面的高溫可視壁面。為了敘述和對比方便，以軸對稱噴管熱噴流或包含可視噴管壁面的總體紅外輻射強度最大值為基準，定義熱噴流或噴管總體紅外輻射強度的量綱為一量(Ir)。

圖11給出了不同寬高比條件下雙S彎噴管的紅外輻射強度。在水平探測面上，熱噴流和總體輻射強度均呈現(xiàn)出對稱分布。熱噴流的紅外輻射強度隨著噴管出口寬高比的而變化呈現(xiàn)出明顯差異，寬高比增大，紅外輻射強度逐漸減小，相比軸對稱噴管，寬高比W/H=6.7的二元雙S彎噴管熱噴流紅外輻射最大可減少70%。

與軸對稱噴管不同，雙S彎噴管總體紅外輻射強度呈“梨”形包絡特征，且輻射峰值顯著降低。軸對稱噴管在0°位置可以直接看到高溫的噴管入口面，因而在0°輻射最強；對于雙S彎噴管，由于雙S彎噴管的輻射遮擋結(jié)構(gòu)，任何探測位置都無法探測到噴管入口的高溫區(qū)，總體輻射強度相比于軸對稱噴管大大減弱，在0°探測方向減小了50%。同時可以看到，由于噴管內(nèi)腔的可視面積減小，在水平探測平面內(nèi)紅外輻射強度隨探測角度的增加急劇減弱。

圖10 噴管壁面溫度分布

圖12顯示出了不同寬高比下垂直方向紅外輻射強度分布?？梢钥吹剑合鄬S對稱噴管，雙S彎噴管熱噴流紅外輻射強度在-30°探測位置最多可抑制41%；且由于S彎噴管的偏轉(zhuǎn)，垂直方向的紅外輻射強度不再呈現(xiàn)出對稱的分布。與水平方向相同，小角度(0°～10°)時，S彎噴管能大幅減小總體紅外輻射強度。

圖12 不同寬高比下垂直方向輻射強度

噴管偏距比S/D對雙S彎噴管紅外輻射強度的影響如圖13和圖14所示?？梢钥吹?，與軸對稱噴管比較，無論是在水平探測面還是在垂直探測面，雙S彎噴管熱噴流輻射強度均得到明顯降低，相對于軸對稱噴管，S/D=1的S彎噴管在水平和垂直探測方向的熱噴流輻射最大降幅分別達到50%和40%。隨著噴管偏距比的增加，噴管出口熱噴流輻射強度將先增加后減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可以從圖15看出：S/D=0.25時射流核心區(qū)的長度最長，此時熱噴流輻射強度將最大。因此，熱噴流輻射強度會出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

圖13 不同偏距比下水平方向輻射強度

圖14 不同偏距比下垂直方向輻射強度

圖15 不同噴管偏距比下噴管對稱面350 K以上靜溫分布

噴管整體輻射強度在水平方向仍呈現(xiàn)出對稱的“梨”形包絡特征，其0°方向的輻射強度相對于軸對稱噴管最大可下降52%；豎直方向由于噴管出口偏離中心線，總體輻射強度的峰值偏移，且隨著偏距比的增加，峰值逐漸向大角度偏移，在0°方向上，輻射強度相對軸對稱噴管仍可減少55%。

圖16和圖17給出了不同長徑比條件下噴管紅外輻射強度的變化。當噴管進、出口中心線在同一水平線時，熱噴流的核心區(qū)長度與形狀主要與噴管進、出口參數(shù)以及噴管出口形狀有關(guān)，可以看到，噴管長徑比的改變對熱噴流的輻射強度及其分布影響較小。此外，長徑比的增加固然增加了S彎噴管的壁面面積，但是雙S彎噴管獨特的完全遮擋結(jié)構(gòu)使得各方向上的可視壁面面積并沒有增加。綜上所得，長徑比對噴管總體紅外輻射強度的影響較小。

圖16 不同長徑比下水平方向輻射強度

圖17 不同長徑比下垂直方向輻射強度

3 結(jié)論

本文分析了不同設計參數(shù)對完全遮擋的二元雙S彎紅外輻射特性的影響，并與有相同進、出口面積和長度的傳統(tǒng)軸對稱噴管進行比較。主要結(jié)論如下：

1) 二元雙S彎噴管能對噴管前端高溫部件形成有效遮擋，大幅降低后方紅外輻射強度，0°探測面相比于軸對稱噴管可降低50%以上。

2) 出口寬高比和偏距比對噴管紅外輻射特性影響較大，與常規(guī)軸對稱噴管相比，增加出口寬高比和偏距比均能大幅降低熱噴流輻射強度和小角度范圍內(nèi)(0°～10°)噴管整體輻射強度。

3) 改變長徑比對噴管出口溫度影響較小，對可探測壁面面積變化影響也較小，長徑比對熱噴流和噴管整體輻射強度影響均不明顯。