柴油機(jī)水下排氣紅外抑制仿真研究

唐斯密，徐 飛，陳中偉

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

潛艇的隱蔽性是其生命力的保障，綜合隱身性能是評(píng)價(jià)潛艇戰(zhàn)斗力的最重要因素。潛艇在通氣管航態(tài)下需要浮出水面進(jìn)行充電，而此時(shí)柴油機(jī)排氣口距離水面位置近，排氣溫度高、流量大，極易在海面形成大范圍溫度差而被紅外探測(cè)裝備偵察到[1–2]。

針對(duì)此問題，國(guó)外潛艇均采取了措施控制排氣溫度以減小其紅外特征，我國(guó)的科研工作者也在此方面展開了大量的理論分析和試驗(yàn)研究。王小川[3]系統(tǒng)地分析了國(guó)內(nèi)外在潛艇通氣管航態(tài)的隱身措施，利用一維流體系統(tǒng)仿真軟件Flowmaster設(shè)計(jì)了排氣系統(tǒng)；賀國(guó)[4]針對(duì)AIP系統(tǒng)噴淋冷卻建立了傳熱模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；袁江濤[5–6]對(duì)柴油機(jī)排氣管內(nèi)的噴淋方式進(jìn)行了仿真，研究了順向和逆向噴淋的效果；孟清正等[7]分析比較了船用柴油機(jī)的各種排氣方式后，提出了軍用高速艇柴油機(jī)水下排氣方式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高速艇水下排氣可行性；李四娣[8]提出的負(fù)壓區(qū)排氣技術(shù)，利用潛艇指揮臺(tái)圍殼附近流場(chǎng)的水動(dòng)力效應(yīng)所形成的“負(fù)壓區(qū)”布置柴油機(jī)通氣管排氣口，并在同一類型艇上進(jìn)行了新舊2種排氣口（負(fù)壓區(qū)排氣口和原鴨嘴型排氣口）的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果證明了“負(fù)壓區(qū)”排氣不僅能降低阻力損失，還能更進(jìn)一步降低排氣溫度。

但是這些研究局限于排氣總管內(nèi)的噴淋降溫或者排氣口外部的強(qiáng)制摻混，沒有充分考慮兩者的串聯(lián)關(guān)系，且多缺乏實(shí)際考慮，比如柴油機(jī)排氣管流量大、溫度高，所需噴淋的水流量也較大，此情況下的液體霧化效果較差，粒子直徑通常較大而難以蒸發(fā)，試驗(yàn)中難以達(dá)到理想效果?；诖耍疚奶岢鲆环N兩級(jí)降溫方案：1）在排氣總管內(nèi)置噴淋系統(tǒng)，初步降低排氣的溫度；2）在排氣管末端加裝一個(gè)小孔排氣裝置，將傳統(tǒng)方案的大氣泡變?yōu)樾馀荩黾託怏w與海水的熱交換，進(jìn)一步減小海水的表面溫差。利用CFD方法建立了柴油機(jī)排氣兩相流模型，對(duì)噴淋系統(tǒng)以及小孔排氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

1 柴油機(jī)水下排氣降溫模型

1.1 Realizable k-ε湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是最古老的且使用最廣泛的湍流模型。Realizable k-ε和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，采用新的計(jì)算湍流粘性的公式和新的計(jì)算耗散率ε的輸運(yùn)公式。Realizable k-ε湍流模型的控制方程為：

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

能量方程

湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程

湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程

湍流模型的模型常數(shù)為：

Realizable k-ε湍流模型的Realizable，是指該模型滿足雷諾應(yīng)力的一些數(shù)學(xué)限制，和現(xiàn)實(shí)物理現(xiàn)象中的湍流相容。該模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和RNG k-ε模型相比，能夠更準(zhǔn)確地模擬湍流的擴(kuò)散，同時(shí)在模擬包含旋流、邊界層和強(qiáng)逆壓梯度下的分離流、回流方面，表現(xiàn)出較好的精度。

1.2 液滴蒸發(fā)理論

水滴和煙氣的傳熱傳質(zhì)關(guān)系十分復(fù)雜，一方面由于水滴溫度的升高，導(dǎo)致水滴與環(huán)境燃?xì)獾臏夭顪p少，從而會(huì)消弱燃?xì)馀c水滴之間的傳熱；其次，隨著水滴溫度的升高，水滴表面的蒸發(fā)過程加速，蒸發(fā)過程中水滴所吸收的蒸發(fā)潛熱也不斷增多。此外，隨著水滴總的蒸發(fā)量的增加，煙氣中水蒸汽的含量增加，煙氣會(huì)逐漸趨于飽和，水滴的蒸發(fā)速度會(huì)降低。因此，水滴達(dá)到某一溫度，其所得的熱量恰好等于蒸發(fā)所需的熱量，于是水滴溫度不再改變，蒸發(fā)處于一種平衡狀態(tài)，水滴在這一溫度下繼續(xù)蒸發(fā)直到汽化完畢或煙氣中水蒸汽處于飽和狀態(tài)。

在高溫下的水滴蒸發(fā)如圖1所示。Rs為任意時(shí)刻水滴的半徑，Ts為水滴表面的溫度，T為介質(zhì)溫度。

根據(jù)蒸發(fā)理論，有公式：

圖 1 柴油機(jī)水下排氣模型Fig. 1 The model of diesel exhaust under water

總的說來，水滴在高溫環(huán)境中的蒸發(fā)時(shí)間隨水滴直徑增大而增大，隨水滴與環(huán)境相對(duì)速度增加而減小，隨環(huán)境溫度增加而減小。蒸發(fā)時(shí)間與水滴直徑的平方近似地成正比。相同水滴和環(huán)境溫度的條件下，蒸發(fā)時(shí)間隨著水滴與環(huán)境相對(duì)速度的增加而減小，近似地與Re的n次方成正比。

1.3 液體噴霧理論

離心噴嘴屬于壓力霧化噴嘴中的一種。主要有單油路離心噴嘴和雙油路離心噴嘴2種結(jié)構(gòu)。雙油路離心噴嘴相比于單油路噴嘴擴(kuò)大了工作范圍。進(jìn)入離心噴嘴的液體做切向運(yùn)動(dòng)，由于離心運(yùn)動(dòng)建立了空心渦，在噴嘴出口，旋轉(zhuǎn)的液體同時(shí)有軸向速度和切向速度，形成空心油膜，油膜失穩(wěn)形成液霧。

離心噴嘴的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)純粹的流體力學(xué)計(jì)算過程。離心噴嘴設(shè)計(jì)中，關(guān)心的是在給定噴嘴壓力降下，要求一定的液體流量、噴霧張角和霧化顆粒細(xì)度。

離心噴嘴的噴口是環(huán)形的，液體在噴嘴內(nèi)是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致噴口在噴嘴出口的地方形成錐形油膜后失穩(wěn)破碎形成錐形空心液霧。盡管離心噴嘴的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但是其中的各種物理過程卻很復(fù)雜。影響霧化的主要因素，一是液體物性，如表面張力和粘性系數(shù)，二是液體工況，如液體流量和液體壓力。

2 柴油機(jī)水下排氣紅外抑制優(yōu)化設(shè)計(jì)

柴油機(jī)排氣的物理模型為：直徑為100 mm噴管，氣體流速為10 m/s、溫度為350 ℃高溫氣體（本研究把燃?xì)饨茷榭諝馓幚恚瑖姽芊胖糜谒嬉韵?.5 m處，水流速度0.1 m/s，水溫為常溫27 ℃，水流方向與噴氣方向一致。同數(shù)值模擬預(yù)測(cè)水面溫度分布見圖1。為保證氣體的冷卻效果最優(yōu)，設(shè)計(jì)了兩級(jí)降溫措施：

1）在排氣管內(nèi)部設(shè)置噴淋系統(tǒng)，充分利用水霧的汽化潛熱首先吸收排氣管內(nèi)部的高溫氣體；

2）在排氣管的末端設(shè)置了小孔排氣裝置，利用小孔將大團(tuán)熱氣打散后排出，增加了氣體與環(huán)境海水的交換效率，利用海水吸收大量熱氣，使得最終浮出水面的氣體溫度大大降低。

技術(shù)途徑如下：

1）首先建立排氣管內(nèi)部噴淋的模型，以噴射水霧的汽化潛熱效應(yīng)最大化為目標(biāo)，通過對(duì)比不同水流、水霧直徑等參數(shù)，得到噴頭參數(shù)設(shè)置；

2）然后建立小孔排氣模型，以“濕氣+水”作為輸入量，通過條件不同的排氣口直徑、數(shù)量和排列方式，已浮出水面氣體的溫度為設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到小孔排氣參數(shù)設(shè)置。

本模擬過程對(duì)噴嘴流量從0.01～0.03 kg/s變化噴霧平均粒徑為50 μm的工況進(jìn)行模擬，表1為出口面平均溫度的變化。

表 1 不同流量和噴射粒子下的出口溫度Tab. 1 The outlet temperature with different outflow and particle diameter

實(shí)際噴霧過程中，霧化顆粒大小不同，平均粒徑50 μm，霧滴在煙道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡也不一致，呈現(xiàn)出一定分布。在一定的噴射條件下，不同粒徑霧滴在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡差別較大，還存在重力的影響。以噴嘴流量0.03 kg/s為例，其排氣管末端溫度分布、中心軸溫度分布和排氣管末端水體積分布如圖2～圖4所示。

圖3為噴管中心線上溫度沿著軸向的分布。可見，煙道內(nèi)噴霧后，在水霧噴射點(diǎn)附近，氣相溫度急劇下降，之后溫度沿?zé)煹垒S線繼續(xù)緩慢降低。

圖 2 排氣管末端上溫度分布Fig. 2 The temperature distributing of exhaust pipe end

圖 3 軸線上溫度分布Fig. 3 The temperature distributing with the axes

圖 4 出口截面上水的體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 4 The water volume fractional distributing on the end of outlet

圖4為出口截面上水的體積分?jǐn)?shù)分布，可以看出煙道的底部有少量積水存在。這是由于噴霧質(zhì)量較大情況下，氣流濕度達(dá)到約100%情況下，液滴不再蒸發(fā)情況下，且由于重力的原因出現(xiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)然，由于液滴的跟隨性、液滴在管道內(nèi)停留時(shí)間及氣體相對(duì)濕度的原因，存在部分液滴未完全蒸發(fā)從而從出口逃逸的現(xiàn)象。

對(duì)圓柱形管道上開孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上面均勻布置3 000個(gè)直徑2 mm的圓孔。

圖5和圖6分別為t=28.383 4 s，整體排氣、冷卻過程趨于平穩(wěn)，中心剖面水的體積分?jǐn)?shù)分布溫度分布。

圖 5 對(duì)稱面上水的體積分?jǐn)?shù)分布圖（t=28.383 4 s）Fig. 5 The water volume fractional distributing on symmetry section (t=28.384 s)

可以看出，整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)存在大量動(dòng)態(tài)變化的水花和氣泡。從噴氣管噴出的氣流，存在大氣泡不規(guī)律地脫離并上浮到水面，這時(shí)水平面上的溫度比高溫氣流初始溫度稍低，達(dá)到約310 K。

圖 6 對(duì)稱面上溫度分布圖（t=28.3834 s）Fig. 6 The temperature distributing on symmetry section(t=28.384 s)

圖 7 水平面最高溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 7 The highest temperature record with time

圖7為水平面上最高溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出高溫氣流最高溫度約為310 K，且水面最高溫度在300～310 K之間波動(dòng)。溫度存在較大波動(dòng)，同樣是由于氣體、蒸汽和水的摻混和流動(dòng)存在波動(dòng)的原因。濕氣從小孔管道流出并上浮到水面的過程，與管內(nèi)兩相流流動(dòng)的泡狀流油相似之處，氣泡破碎、合并、忽大忽小，存在較大波動(dòng)。當(dāng)小氣泡出現(xiàn)時(shí)，其與水在單位體積內(nèi)存在較大的接觸面積，因而傳熱較充分，上浮到水面上時(shí)溫度較低。反之，當(dāng)大氣泡從噴口脫落出現(xiàn)時(shí)，其與水在單位體積內(nèi)存在較小的接觸面積，因而上浮過程中傳熱不夠充分，上浮到水面上時(shí)溫度較高。因此，水平面最高溫度隨時(shí)間變化，且存在較大波動(dòng)。

通過以上模擬過程可以較為清晰地看出，當(dāng)高溫排氣受到內(nèi)置噴淋和末端小孔排氣共同作用時(shí)，其冷卻效果大大提高，浮升至水面的熱氣基本與環(huán)境融為一體，達(dá)到了良好的降溫效果。

3 結(jié) 語

潛艇的水下熱排放是暴露其紅外特征的重要因素，本文提出的內(nèi)置噴淋+末端小孔排氣方式對(duì)高溫排氣管進(jìn)行冷卻，通過建模并仿真計(jì)算，表明本文提出的降溫方案有效，可以將排氣管內(nèi)的高溫氣體降低至常溫左右，大大降低了水面尾跡的紅外輻射強(qiáng)度，是一種對(duì)潛艇紅外尾跡有效控制的手段。