周孝明，單 勇，宮 禹，譚曉茗

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院, 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016;2.沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所， 沈陽 110035)

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

飛機(jī)的主要紅外輻射來源于發(fā)動機(jī)高溫?zé)岵考桶l(fā)動機(jī)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(jī)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(qiáng)化了發(fā)動機(jī)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(jī)渦輪后的排氣溫度，縮減了噴流核心區(qū)長度[10]。Johansson[11]等計(jì)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度低于窄邊探測面紅外輻射強(qiáng)度，最大降幅達(dá)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(shí)驗(yàn)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(dá)到35.2%和80.2%。然而，目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了后向視線上可實(shí)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(jìn)行比較。

1 數(shù)值計(jì)算模型和方法

1.1 物理模型及邊界條件

設(shè)計(jì)滿足完全遮擋條件(見圖1，在噴管后半球，無論從哪個(gè)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(jìn)、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(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及噴管進(jìn)氣溫度進(jìn)行紅外輻射特性影響的系統(tǒng)研究。計(jì)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(jì)算域邊界條件如圖4所示，噴管進(jìn)口采用壓力進(jìn)口，噴管落壓比NPR取1.5，進(jìn)口總溫T1*=440 K；壓力出口邊界的壓力和溫度分別設(shè)置為P0=22 700 Pa，T0=216 K，以模擬11 km高空環(huán)境；壓力遠(yuǎn)場邊界設(shè)置Ma=0.7，以模擬飛行來流，且來流方向與噴管進(jìn)口軸線平行；噴管壁面采用無滑移絕熱壁面。

計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示，整個(gè)計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對壁面處網(wǎng)格進(jìn)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(jì)算結(jié)果表明壁面y+<5。經(jīng)過網(wǎng)格試驗(yàn)，當(dāng)網(wǎng)格總量達(dá)350萬時(shí)，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(jì)算網(wǎng)格示意圖

1.2 計(jì)算方法及驗(yàn)證

流場計(jì)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(jì)算中考慮組分輸運(yùn)，采用基于壓力的求解器、二階迎風(fēng)格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。

在Fluent計(jì)算湍流模型中加入氣體組分的計(jì)算來充分考慮氣體輻射問題，噴管進(jìn)口氣體假設(shè)為燃燒完全的高溫氣體，成分只有氮?dú)狻⒍趸己退魵?，化學(xué)反應(yīng)方程為

C12H24+18O2=12CO2+12H2O

(1)

外場進(jìn)口氣體設(shè)為環(huán)境大氣，其考慮成分為氮?dú)夂脱鯕?，噴管進(jìn)口和環(huán)境氣體成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義如表1所示。

紅外輻射計(jì)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(jìn)、出口及壁面的靜溫值均由Fluent軟件輸出。

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

表1 氣體組分體積分?jǐn)?shù)

氣體組分CO2H2OO2N2噴管進(jìn)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(dāng)光束投射到模型表面被吸收時(shí)，就認(rèn)為沿該光束的路徑上有一束能量能夠反向到達(dá)測點(diǎn)，經(jīng)多次發(fā)射—跟蹤—反向接收后，統(tǒng)計(jì)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(dá)測點(diǎn)的輻射照度H(W/cm2)，定義如下：將探測目標(biāo)作為點(diǎn)源處理，其輻射強(qiáng)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(diǎn)有貢獻(xiàn)的光線總數(shù)；θj是入射光線的天頂角；Δσi是第i個(gè)波帶的寬度；FOV是測點(diǎn)對目標(biāo)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(gè)相互正交的方向進(jìn)行輻射強(qiáng)度的探測。探測點(diǎn)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(jì)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(diǎn)處均存在明顯的局部高速區(qū)外，計(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)視角的壁面溫度分布如圖10所示?？梢钥吹剑簝啥蜸彎轉(zhuǎn)彎處的背風(fēng)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(shí)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(qiáng)度最大值為基準(zhǔn)，定義熱噴流或噴管總體紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)度。在水平探測面上，熱噴流和總體輻射強(qiáng)度均呈現(xiàn)出對稱分布。熱噴流的紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度呈“梨”形包絡(luò)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(qiáng)；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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)度分布。可以看到：相對軸對稱噴管，雙S彎噴管熱噴流紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，S彎噴管能大幅減小總體紅外輻射強(qiáng)度。

圖12 不同寬高比下垂直方向輻射強(qiáng)度

噴管偏距比S/D對雙S彎噴管紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)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(dá)到50%和40%。隨著噴管偏距比的增加，噴管出口熱噴流輻射強(qiáng)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(shí)射流核心區(qū)的長度最長，此時(shí)熱噴流輻射強(qiáng)度將最大。因此，熱噴流輻射強(qiáng)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(qiáng)度

圖14 不同偏距比下垂直方向輻射強(qiáng)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(qiáng)度在水平方向仍呈現(xiàn)出對稱的“梨”形包絡(luò)特征，其0°方向的輻射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的變化。當(dāng)噴管進(jìn)、出口中心線在同一水平線時(shí)，熱噴流的核心區(qū)長度與形狀主要與噴管進(jìn)、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(qiáng)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(dú)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(qiáng)度的影響較小。

圖16 不同長徑比下水平方向輻射強(qiáng)度

圖17 不同長徑比下垂直方向輻射強(qiáng)度

3 結(jié)論

本文分析了不同設(shè)計(jì)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(jìn)、出口面積和長度的傳統(tǒng)軸對稱噴管進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度和小角度范圍內(nèi)(0°～10°)噴管整體輻射強(qiáng)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(qiáng)度影響均不明顯。