噴射條件對(duì)氣溶膠煙幕釋放效果的影響

任浩亮， 張建超， 程會(huì)川

(中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院仿真技術(shù)研究中心， 北京 101304)

隨著現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，紅外成像精確制導(dǎo)技術(shù)不斷發(fā)展，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)于作戰(zhàn)飛機(jī)的威脅也越來(lái)越大。基于氣溶膠煙幕良好的紅外干擾特性，越來(lái)越多的研究開(kāi)始側(cè)重于煙幕這種經(jīng)濟(jì)有效的無(wú)源干擾手段，煙幕紅外干擾方式在中外已有較大的發(fā)展[1-6]。紅外煙幕通常分為輻射屏蔽型高溫?zé)熌缓图t外衰減遮蔽型煙幕[7]，當(dāng)前研究較多的主要集中的紅外衰減遮蔽型煙幕上[8]，這種類(lèi)型的煙幕主要通過(guò)對(duì)紅外信號(hào)的吸收和散射作用達(dá)到紅外遮蔽的效果。煙幕材料包括石墨、石墨烯、納米材料、金屬粉末甚至生物材料等多種形式。20世紀(jì)60年代，美國(guó)空軍就開(kāi)始研究飛機(jī)后方噴射煙幕對(duì)紅外輻射的衰減效果；20世紀(jì)80年代，以色列也開(kāi)展了在模型發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流四周?chē)娚涮剂＿M(jìn)行紅外抑制的研究，結(jié)果表明碳粒煙幕可使尾噴口紅外抑制效果最高可達(dá)85%以上[9]。中國(guó)學(xué)者對(duì)大氣氣溶膠特性進(jìn)行了大量研究[10-11]，對(duì)氣溶膠煙幕特性的研究也取得了較多的成果。劉本利等[12]對(duì)炭黑顆粒的煙幕紅外干擾特性進(jìn)行了研究，分析了煙幕濃度和厚度對(duì)干擾效果的影響。劉清海等[13]對(duì)石墨烯材質(zhì)的煙幕紅外干擾特性進(jìn)行了研究，研究表明石墨烯氣溶膠的懸浮性能較好，消光能力表現(xiàn)優(yōu)異，且沉降速度較低。徐路程等[14]對(duì)紅外煙幕的擴(kuò)散特性進(jìn)行了研究。

根據(jù)煙幕的形成機(jī)理進(jìn)行分類(lèi)，包括爆炸型煙幕和噴射型煙幕，其中爆炸型煙幕主要用于形成高溫?zé)熌唬瑖娚湫蜔熌粍t用于形成紅外衰減遮蔽型冷煙幕[15]。應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰紅外抑制的煙幕主要為噴射型煙幕，其應(yīng)用方式主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫尾焰周?chē)鷩娚錃馊苣z，形成屏蔽層，對(duì)尾焰進(jìn)行包裹，通過(guò)散射和吸收屏蔽尾焰的紅外輻射，早在20世紀(jì)90年代，韓啟祥等[16]搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口氣溶膠噴射系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究；南京航空航天大學(xué)常海萍教授課題組也相繼通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法，對(duì)氣溶膠材料的選取、消光能力等開(kāi)展了深入研究[17-22]。

噴射型氣溶膠煙幕主要通過(guò)氣流攜帶氣溶膠顆粒形成，當(dāng)氣流速度較高時(shí)會(huì)形成高速射流，高速射流噴射條件會(huì)對(duì)氣溶膠煙幕的釋放效果造成不同的影響。現(xiàn)有文獻(xiàn)大多針對(duì)煙幕材料本身的紅外干擾特性或尾噴流氣溶膠煙幕的形成進(jìn)行研究，針對(duì)高速射流氣溶膠煙幕透射率特性的研究較少。為此，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，首先對(duì)均勻大氣環(huán)境下高速射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，然后采用離散相模型模擬氣溶膠顆粒在該流場(chǎng)下的擴(kuò)散規(guī)律，獲得氣溶膠粒子的濃度分布，利用Lambert-Beer定律，計(jì)算氣溶膠煙幕流場(chǎng)透射率分布，評(píng)估氣溶膠煙幕在研究條件下能夠形成的低透射區(qū)域。通過(guò)對(duì)高速射流煙幕透射率分布規(guī)律的研究，明晰噴射條件對(duì)煙幕形態(tài)的影響規(guī)律，為射流噴嘴的合理設(shè)計(jì)及噴射壓力，流量的合理選取提供參考。

1 模型及網(wǎng)格

1.1 物理模型

氣溶膠煙幕顆粒噴射流場(chǎng)如圖1所示，計(jì)算域包括射流進(jìn)口(噴口)，外流進(jìn)口，計(jì)算域出口、對(duì)稱(chēng)軸以及外流邊界，其中射流進(jìn)口用于高速氣流噴射及氣溶膠顆粒釋放，外流進(jìn)口用于模擬外部大氣環(huán)境條件。由于計(jì)算涉及連續(xù)相和離散相非穩(wěn)態(tài)求解，為減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，計(jì)算域采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行建模。圖1中，x軸正向?yàn)樯淞髁飨颍瑈軸為徑向，z軸為光線透射方向，與x軸和y軸垂直。射流進(jìn)口直徑為D，外流進(jìn)口直徑為48.8D，流向長(zhǎng)度為300D，出口直徑為50D。

1.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算域網(wǎng)格視圖和射流孔附近局部放大圖如圖2所示，采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行空間離散，在射流出口附近進(jìn)行局部加密處理，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)解驗(yàn)證，取最佳網(wǎng)格數(shù)3×105。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.2 Mesh of computational area

2 數(shù)值計(jì)算方法及驗(yàn)證

2.1 邊界條件

計(jì)算域出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力為Pout，外流進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界，外流進(jìn)口與計(jì)算域出口的壓比PRf為1.000 5，外流為穩(wěn)定狀態(tài)。射流進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界，射流進(jìn)口與計(jì)算域出口的壓比PRJ分別為1.5、2、2.5、3、4，氣溶膠粒子噴射流量MJ分別為0.02、0.04、0.06、0.10 kg/s。氣溶膠粒子為石墨顆粒，顆粒密度2 250 kg/m3，定壓比熱為710 J/(kg·K)?？紤]到計(jì)算流場(chǎng)中局部流速較高，氣體按理想可壓流體進(jìn)行計(jì)算。湍流模型選擇重整化群(RNG)湍動(dòng)能-湍流耗散率(k-ε)模型，近壁面采用Scalable壁面函數(shù)處理。

2.2 求解控制

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解，動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能方程和湍流耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算，壓力項(xiàng)采用二階格式進(jìn)行計(jì)算。采用SIMPLEC算法對(duì)壓力速度進(jìn)行耦合計(jì)算。為保證計(jì)算結(jié)果滿足收斂要求，將求解方程的標(biāo)準(zhǔn)化殘差均設(shè)定為10-6。

2.3 離散相模擬

由于氣溶膠顆粒的體積分?jǐn)?shù)較小，滿足離散相模型的計(jì)算要求，顆粒釋放源為面源，釋放位置為射流進(jìn)口，釋放方向垂直于射流進(jìn)口面，時(shí)間步長(zhǎng)為10-5，共計(jì)算516個(gè)時(shí)間步，釋放流量根據(jù)計(jì)算工況不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)連續(xù)相和離散相進(jìn)行耦合求解，采用隨機(jī)顆粒軌道模型進(jìn)行顆粒追蹤。

2.4 透射率計(jì)算方法

由Lambert-Beer定律可知，輻射參與介質(zhì)的透射率計(jì)算公式為

τλ=e-kλcL

(1)

式(1)中：kλ為消光系數(shù)，m2/g，采用的石墨顆粒的紅外消光系數(shù)為2 m2/g；c為煙幕濃度，g/m3；L為光線在介質(zhì)層中的行程長(zhǎng)度，m。

由于光線透射方向?yàn)閦軸方向，故光線穿過(guò)氣溶膠射流的行程長(zhǎng)度L計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：r為氣溶膠射流橫截面半徑；y為光線穿過(guò)氣溶膠射流的徑向位置。

2.5 計(jì)算方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證選取的湍流模型與兩相流計(jì)算等數(shù)值方法的可行性，對(duì)文獻(xiàn)[14,23]中近地面煙幕擴(kuò)散流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)比了文獻(xiàn)[14]中風(fēng)速1.2 m/s，擴(kuò)散時(shí)間90 s后的煙幕遮蔽有效區(qū)域，如圖3(a)所示，對(duì)比可知，計(jì)算結(jié)果獲得的低透射區(qū)域形態(tài)與文獻(xiàn)結(jié)果相似，末端出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，低透射區(qū)域長(zhǎng)度與文獻(xiàn)結(jié)果相差1.7%。對(duì)比了文獻(xiàn)[23]中95 s 時(shí)煙幕擴(kuò)散跨風(fēng)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于文中未給出具體煙幕擴(kuò)散區(qū)尺寸，無(wú)法進(jìn)行定量對(duì)比，但從圖3(b)可以看出，煙幕顆粒沿地面擴(kuò)散一段距離后在尾部出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，計(jì)算獲得的煙幕粒子擴(kuò)散分布與真實(shí)煙幕擴(kuò)散分布規(guī)律一致，通過(guò)上述對(duì)比，證明了本文算法可行。

圖3 驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of validation results

3 結(jié)果與分析

3.1 低透射區(qū)分布

圖4為噴口下游射流靜壓分布規(guī)律， 壓比PBJ=4，MJ=0.02 kg/s工況下氣溶膠射流透射率小于0.15的低透射區(qū)[12]分布規(guī)律以及A區(qū)域和B區(qū)域的局部放大視圖。由圖4(a)可知，高速射流從噴口噴出，形成一系列膨脹波和壓縮波，在膨脹波段，由于核心流向大氣外側(cè)膨脹，使得核心區(qū)的氣溶膠粒子濃度降低，進(jìn)而產(chǎn)生局部高透射率區(qū)域；如圖4(b)放大區(qū)域A中兩個(gè)紅色箭頭所示區(qū)域，該區(qū)域會(huì)在一定程度上降低氣溶膠煙幕對(duì)紅外輻射的遮蔽效果。隨著氣流流動(dòng)過(guò)程中能量的不斷衰減，射流下游膨脹波對(duì)氣溶膠粒子濃度的影響逐漸降低。氣溶膠煙幕低透射區(qū)呈類(lèi)錐形，最大遮蔽長(zhǎng)度約66D，射流上游的徑向高度與射流噴口半徑相當(dāng)，射流下游存在局部擴(kuò)散現(xiàn)象，如圖4(b)放大區(qū)域B中所示。

圖4 噴口下游流場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of flow field downstream of nozzle

圖5為不同噴射時(shí)刻的氣溶膠煙幕低透射區(qū)分布，當(dāng)t=0.002 58 s時(shí)，低透射區(qū)長(zhǎng)度為64D，低透射區(qū)徑向最大高度為4D，當(dāng)t=0.005 16 s時(shí)，低透射區(qū)最大長(zhǎng)度為88D，低透射區(qū)徑向最大高度為7D，隨著噴射時(shí)間延長(zhǎng)一倍，低透射區(qū)最大長(zhǎng)度增加37.5%，低透射區(qū)徑向最大高度增加75%，在流向50D位置的擴(kuò)散區(qū)域明顯增加，但低透射區(qū)呈團(tuán)狀，氣溶膠顆粒局部聚集，分布不均勻，存在高透射率空隙，不能對(duì)紅外輻射形成完全遮擋，這是由于噴嘴噴出的氣溶膠顆粒質(zhì)量流量太小所致。

圖5 不同時(shí)刻的低透射區(qū)Fig.5 Low transmission region at different times

3.2 氣溶膠粒子噴射流量的影響

圖6給出了t=0.005 16 s時(shí)刻的低透射區(qū)隨氣溶膠粒子噴射流量的變化規(guī)律，由圖6可知，隨著粒子噴射流量的增加，射流下游低透射率區(qū)覆蓋范圍顯著增加，低透射區(qū)變得連續(xù)完整，低透射區(qū)沿軸向最大遮蔽距離逐漸增加，徑向最大高度位置同樣沿軸向向下游移動(dòng)，粒子噴射流量對(duì)低透射區(qū)徑向最大高度的影響相對(duì)較小。在低透射區(qū)范圍一定的情況下，提高噴射粒子的質(zhì)量流量可以顯著提高氣溶膠煙幕的遮蔽效果。

圖6 低透射區(qū)變化規(guī)律Fig.6 Variation of low transmission region

圖7給出了兩個(gè)噴射時(shí)刻徑向最大高度隨氣溶膠粒子噴射流量的變化規(guī)律，由圖7可知，低透射區(qū)徑向最大高度隨氣溶膠粒子噴射流量的增加而增加，當(dāng)噴射流量不變時(shí)，隨著噴射時(shí)間的延長(zhǎng)，徑向最大高度增加，增加幅度隨噴射流量的增加而增加，當(dāng)噴射流量為0.02 kg/s時(shí)，增加幅度為60%，當(dāng)噴射流量為0.10 kg/s時(shí)，增加幅度為77%。在t=0.002 58 s時(shí)刻，徑向最大高度隨流量的增加增幅為24%，在t=0.005 16 s時(shí)刻，徑向最大高度隨流量的增加增幅為38%，徑向高度的增加有利于擴(kuò)大氣溶膠煙幕的低透射區(qū)范圍。

圖7 徑向最大高度變化規(guī)律Fig.7 Variation of radial maximum height

圖8為徑向最大高度軸向位置隨氣溶膠粒子噴射流量的變化規(guī)律，由圖8可知，徑向最大高度軸向位置隨氣溶膠粒子噴射流量的增加而增加，當(dāng)噴射流量不變時(shí)，隨著噴射時(shí)間的延長(zhǎng)，徑向最大高度軸向位置增加，增加幅度隨噴射流量的增加有降低趨勢(shì)，當(dāng)噴射流量為0.02 kg/s時(shí)，增加幅度為47%，當(dāng)噴射流量為0.10 kg/s時(shí)，增加幅度為36%。在t=0.002 58 s時(shí)刻，徑向最大高度軸向位置隨流量的增加增幅為37%，在t=0.005 16 s時(shí)刻，徑向最大高度軸向位置隨流量的增加增幅為27%，徑向高度軸向位置向射流下游移動(dòng)有利于擴(kuò)大氣溶膠煙幕的低透射區(qū)范圍。

圖8 徑向最大高度軸向位置變化規(guī)律Fig.8 Variation of maximum radial height axial position

3.3 射流噴射壓力的影響

圖9給出了t=0.005 16 s時(shí)刻的低透射區(qū)隨射流噴射壓力的變化規(guī)律，由圖9可知，隨著射流噴射壓力的增加，低透射區(qū)沿軸向最大遮蔽距離逐漸增加，徑向最大高度位置沿軸向向下游移動(dòng)，低透射區(qū)徑向最大高度有增加趨勢(shì)，噴射壓力的增加對(duì)遮蔽區(qū)透射率和遮蔽區(qū)形態(tài)的影響相對(duì)較小，盡管射流噴射壓力的增加能夠一定程度上增加低透射區(qū)域，但增加的幅度相對(duì)有限，這主要是由于射流噴嘴為等截面噴嘴，當(dāng)噴射壓力達(dá)到一定值后，射流噴口達(dá)到臨界流量，繼續(xù)增加壓比對(duì)射流下游的流場(chǎng)影響較小，此時(shí)若要增加下游遮蔽區(qū)的范圍，只能通過(guò)改變噴口結(jié)構(gòu)和尺寸實(shí)現(xiàn)，對(duì)于幾何尺寸一定的噴口，存在最佳射流噴射壓力。

圖9 低透射區(qū)隨射流噴射壓力的變化規(guī)律Fig.9 Variation of low transmission region with jet pressure

圖10給出了兩個(gè)噴射時(shí)刻徑向最大高度隨射流噴射壓力的變化規(guī)律，由圖10可知，徑向最大高度隨射流噴射壓力的增加而增加，當(dāng)噴射壓力不變時(shí)，隨著噴射時(shí)間的延長(zhǎng)，徑向最大高度增加，研究壓比范圍內(nèi)平均增幅為53%。在t=0.002 58 s時(shí)刻，徑向最大高度隨壓比的增加增幅為41%，在t=0.005 16 s時(shí)刻，徑向最大高度隨壓比的增加增幅為38%。

圖10 徑向最大高度變化規(guī)律Fig.10 Variation of radial maximum height

圖11給出了兩個(gè)噴射時(shí)刻軸向最大長(zhǎng)度隨射流噴射壓力的變化規(guī)律，由圖11可知，軸向最大長(zhǎng)度隨射流噴射壓力的增加而增加，當(dāng)噴射壓力不變時(shí)，隨著噴射時(shí)間的延長(zhǎng)，軸向最大長(zhǎng)度增加，研究壓比范圍內(nèi)平均增幅為53%。在t=0.002 58 s時(shí)刻，當(dāng)壓比為4.0時(shí)有最大值64D，當(dāng)壓比為1.5時(shí)有最小值44D，軸向最大長(zhǎng)度隨壓比的增加增幅為45%，在t=0.005 16 s時(shí)刻，當(dāng)壓比為4.0時(shí)有最大值93D，當(dāng)壓比為1.5時(shí)有最小值68D，軸向最大長(zhǎng)度隨射流噴射壓力的增加增幅為37%。

圖11 軸向最大長(zhǎng)度變化規(guī)律Fig.11 Variation of maximum axial length

4 結(jié)論

研究了不同噴射條件對(duì)氣溶膠煙幕釋放效果的影響，將連續(xù)相流場(chǎng)、離散相顆粒流耦合，分析了射流噴射壓力和氣溶膠粒子噴射流量對(duì)紅外輻射低透射區(qū)的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

(1)高速射流從噴口噴出，形成膨脹波系，在膨脹波段，射流核心區(qū)的氣溶膠粒子濃度降低，存在局部高透射率區(qū)域，遮蔽效果降低。

(2)氣溶膠煙幕低透射區(qū)呈類(lèi)錐形，射流上游的徑向高度與射流噴口半徑相當(dāng)，射流下游存在局部擴(kuò)散現(xiàn)象。隨著噴射時(shí)間延長(zhǎng)，低透射區(qū)最大長(zhǎng)度和徑向最大高度均增加，下游局部擴(kuò)散區(qū)域明顯增加。

(3)粒子噴射流量較小會(huì)導(dǎo)致下游局部擴(kuò)散的低透射率區(qū)呈團(tuán)狀，存在高透射率空隙，不能對(duì)紅外輻射形成完全遮擋。隨著粒子噴射流量的增加，射流下游低透射率區(qū)覆蓋范圍顯著增加，低透射區(qū)變得連續(xù)完整。

(4)低透射區(qū)徑向最大高度隨流量的增加增幅約38%，徑向最大高度軸向位置增幅約37%，二者的增加均有利于擴(kuò)大氣溶膠煙幕的低透射區(qū)范圍，在低透射區(qū)范圍一定的情況下，提高噴射粒子的質(zhì)量流量可以顯著提高氣溶膠煙幕的遮蔽效果。

(5)提高射流噴射壓力可以增加低透射區(qū)遮蔽范圍，在壓比在1.5～4范圍內(nèi)，軸向最大長(zhǎng)度隨射流噴射壓力的增加增幅為37%，徑向最大高度隨壓比的增加增幅為38%，對(duì)于幾何尺寸一定的噴口，存在最佳射流噴射壓力。