任利鋒，邵萬仁，徐 速，王 偉

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015)

1 引言

隨著現(xiàn)代紅外制導(dǎo)武器的發(fā)展，戰(zhàn)斗機(jī)的生存面臨著越來越大的威脅，對其紅外隱身性能的要求也越來越高。發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)是紅外輻射的主要來源，特別是3～5 μm波段，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度的降低將大大提高飛機(jī)的生存力，因此對發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的研究十分必要。

降低發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度的技術(shù)主要有高溫部件冷卻[1-4]、隱身涂層[5]和遮擋[6]等技術(shù)?，F(xiàn)役的加力型發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)中噴管主要是軸對稱噴管，改變其結(jié)構(gòu)形式遮擋高溫部件達(dá)到降低排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度的可能性不大，最實(shí)用的紅外抑制措施就是高溫部件冷卻和低發(fā)射率涂層應(yīng)用。針對這些技術(shù)，國內(nèi)已經(jīng)開展了一定的研究。劉友宏等[7]對軸對稱矢量噴管隔熱屏冷卻及紅外輻射特征進(jìn)行了研究，單勇等[8]對中心錐冷卻結(jié)構(gòu)的氣動特性和紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，黃偉等[9]針對降溫和低發(fā)射率對排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的影響進(jìn)行了研究。國外也開展了一系列的研究，主要在高溫部件冷卻、強(qiáng)化摻混和低發(fā)射率涂層的應(yīng)用方面。但在國內(nèi)外研究中，關(guān)于排氣系統(tǒng)各固體壁面對紅外輻射的貢獻(xiàn)、各固體壁面不同發(fā)射率組合對排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度影響的相關(guān)公開報(bào)告尚不多見。

本文首先建立了航空發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)流場計(jì)算模型。在流場計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的紅外輻射特征數(shù)值計(jì)算軟件，計(jì)算了發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征，得到了排氣系統(tǒng)在不同紅外抑制措施下的紅外輻射強(qiáng)度分布曲線。該計(jì)算結(jié)果可為發(fā)動機(jī)紅外隱身設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 物理模型

航空發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括內(nèi)涵道、外涵道、中心錐、合流環(huán)、加力筒體、火焰穩(wěn)定器、收擴(kuò)噴管、噴管外罩。

該排氣系統(tǒng)為軸對稱模型，長度為L，喉道直徑為D，出口直徑為1.1D。由于內(nèi)涵道上游是高速旋轉(zhuǎn)的渦輪部件，因此將內(nèi)涵道進(jìn)口輻射特征近似等效為渦輪部件輻射特征，以減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。選取模型的1/4作為計(jì)算對象。為使自由流充分發(fā)展，流場計(jì)算域選取較大，計(jì)算域的軸向長度為10.0L，徑向半徑為5.2D，如圖2所示。

3 計(jì)算方法

3.1 流場計(jì)算

運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行流場計(jì)算。熱燃?xì)饧僭O(shè)為理想可壓縮流體。除壁面與流體間的對流換熱外，還考慮了燃?xì)夂捅诿骈g的輻射換熱(不考慮燃?xì)獾纳⑸?。使用基于密度耦合的算法，采用標(biāo)準(zhǔn)SSTk-ω兩方程模型。流動方程組及湍流模型方程均使用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。噴管的邊界條件設(shè)置為壓力入口，流動方向?yàn)檠貒姽茌S向。內(nèi)涵總溫1150 K，總壓425600 Pa；外涵總溫488 K，總壓413200 Pa。外流場為壓力出口，溫度300 K，壓力101325 Pa?？諝庵械?dú)夂脱鯕怏w積分?jǐn)?shù)分別為78%、22%。燃油分子式取C12H23，完全燃燒反應(yīng)和不完全燃燒反應(yīng)方程式分別為4C12H23+71O2=48CO2+46H2O和4C12H23+47O2=48CO+46H2O。計(jì)算得出內(nèi)涵進(jìn)口處氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、水蒸氣和一氧化碳質(zhì)量百分比，分別為0.74640、0.14630、0.07720、0.03020和 0.00025；外場為環(huán)境大氣，其成分為氮?dú)夂脱鯕?，其質(zhì)量百分比分別為0.767、0.233。輻射換熱中采用DO模型，外涵進(jìn)口設(shè)置為發(fā)射率0.9的灰體。

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)控制在約120萬。圖3給出了排氣系統(tǒng)及外場網(wǎng)格分布。其中，中心錐、火焰穩(wěn)定器和噴流核心區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密，而噴流核心區(qū)以外空間網(wǎng)格逐漸變稀。

3.2 排氣系統(tǒng)紅外輻射計(jì)算

排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征采用離散傳遞法計(jì)算。其思路是：將換熱系統(tǒng)劃分為若干微元體和微元邊界面，每個邊界微元面向周圍半球空間發(fā)射的輻射能量按立體角劃分為若干等份，每份輻射能沿其所在立體角的中心線形成一個能束；該能束在半透明介質(zhì)內(nèi)的傳遞過程中，一方面受到沿途介質(zhì)的吸收和散射，另一方面又因沿途介質(zhì)的發(fā)射得到增強(qiáng)；通過累加所有進(jìn)出介質(zhì)內(nèi)某微元體的各離散傳遞方向的輻射強(qiáng)度的變化量，即可得到該微元體所獲得的凈輻射能量。據(jù)此可得到尾焰和壁面到達(dá)探測點(diǎn)的輻射照度[10-13]。探測點(diǎn)的位置分布如圖4所示。由于模型的軸對稱性，在0°～90°范圍每隔5°設(shè)置一個探測點(diǎn)，共19個探測點(diǎn)。

3.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，以涵道比為0.3構(gòu)建的無中心錐冷卻噴管的基準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，建立計(jì)算模型。圖5為基準(zhǔn)軸對稱收擴(kuò)噴管尺寸和實(shí)物。圖6顯示了涵道比0.3時(shí)排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，二者基本吻合，驗(yàn)證了本文排氣系統(tǒng)的紅外輻射計(jì)算方法。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 排氣系統(tǒng)各固體壁面紅外輻射強(qiáng)度貢獻(xiàn)度分析

圖7給出了排氣系統(tǒng)各固體壁面兩波段(3～5 μm波段和8～14 μm波段)紅外輻射強(qiáng)度占該波段排氣系統(tǒng)總的紅外輻射強(qiáng)度的百分比(簡稱紅外輻射強(qiáng)度占比)?？煽闯觯旱蛪簻u輪、中心錐、火焰穩(wěn)定器只在0°～20°探測方向上對兩波段紅外輻射有貢獻(xiàn)，而噴管擴(kuò)張段和外罩在0°～90°探測方向上對兩波段紅外輻射都有貢獻(xiàn)，加力筒體在10°～50°探測方向上對兩波段紅外輻射有貢獻(xiàn)；對3～5 μm波段，0°探測方向上中心錐紅外輻射貢獻(xiàn)最大(達(dá)60%)，10°探測方向上低壓渦輪貢獻(xiàn)最大(達(dá) 30%)，15°～90°探測方向上噴管擴(kuò)張段貢獻(xiàn)最大(達(dá) 48%)；對 8～14 μm波段，0°～6°探測方向上中心錐貢獻(xiàn)最大，6°～10°探測方向上噴管外罩貢獻(xiàn)最大，10°～90°探測方向上噴管擴(kuò)張段貢獻(xiàn)最大，外罩次之。

4.2 發(fā)射率對排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度的影響

圖8給出了排氣系統(tǒng)所有固體壁面發(fā)射率(ε)統(tǒng)一設(shè)定為0.8、0.5、0.3時(shí)，排氣系統(tǒng)兩波段無量綱紅外輻射強(qiáng)度I/I0的分布，其中I0為某定值積分輻射強(qiáng)度。由圖可知：固體壁面發(fā)射率的改變在0°～15°探測方向上對3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)度的影響比較顯著，而在20°～90°探測方向上的影響較小。這主要是因?yàn)?～5 μm波段主要紅外輻射源(低壓渦輪、中心錐、火焰穩(wěn)定器)在0°～15°探測方向上貢獻(xiàn)較大，在其他探測方向上貢獻(xiàn)較小。在0°～90°探測方向上，固體部件發(fā)射率的改變對8～14 μm波段紅外輻射強(qiáng)度均有影響，且發(fā)射率0.8～0.5的紅外輻射衰減量和衰減幅度較0.5～0.3的顯著。

圖9為排氣系統(tǒng)各固體壁面發(fā)射率均設(shè)定為0.8時(shí)四個探測方向上紅外輻射亮度。由圖可知，探測角度5°時(shí)，排氣系統(tǒng)紅外輻射亮度的區(qū)域最大。

圖10給出了低壓渦輪、加力筒體、噴管內(nèi)壁面和噴管外罩發(fā)射率為0.8不變，中心錐、火焰穩(wěn)定器和合流環(huán)發(fā)射率為0.8、0.5、0.3時(shí)，排氣系統(tǒng)兩波段紅外輻射強(qiáng)度分布。由圖可看出：兩波段紅外輻射強(qiáng)度最大值都出現(xiàn)在5°探測角上，主要是由于在5°探測角上能探測到的低壓渦輪、火焰穩(wěn)定器、中心錐等高溫固體紅外輻射強(qiáng)度和反射強(qiáng)度之和最大；中心錐、火焰穩(wěn)定器和合流環(huán)發(fā)射率的改變，只影響兩波段在0°～20°探測方向上的紅外輻射強(qiáng)度，且隨著發(fā)射率的降低，兩波段在0°～20°探測方向上的紅外輻射強(qiáng)度逐漸減小。

圖11給出了中心錐、火焰穩(wěn)定器和合流環(huán)發(fā)射率設(shè)定為0.5，加力筒體、噴管內(nèi)壁面和外罩發(fā)射率為0.8、0.5、0.3時(shí)，排氣系統(tǒng)兩波段紅外輻射強(qiáng)度分布。由圖可看出：加力筒體、噴管內(nèi)壁面和外罩發(fā)射率的改變，在不同探測角度范圍對排氣系統(tǒng)3～5 μm波段紅外輻射的影響規(guī)律不同。在0°～10°探測范圍，發(fā)射率為0.5時(shí)，紅外輻射強(qiáng)度最小；在10°～35°探測范圍，發(fā)射率為0.8時(shí)，紅外輻射強(qiáng)度最小；在35°～90°探測范圍，發(fā)射率為0.3時(shí)紅外輻射強(qiáng)度最小。該分布規(guī)律是固體部件自身輻射和反射共同作用的結(jié)果。在 0°～90°探測范圍，排氣系統(tǒng) 8～14 μm波段紅外輻射強(qiáng)度隨著筒體、噴管內(nèi)壁面和噴管外罩發(fā)射率的降低逐漸減小，其中加力筒體、噴管內(nèi)壁面和外罩發(fā)射率改變的影響較顯著。

圖12給出了中心錐、火焰穩(wěn)定器、合流環(huán)、加力筒體發(fā)射率為0.8，噴管收斂段和噴管擴(kuò)張段發(fā)射率變化時(shí)，排氣系統(tǒng)兩波段紅外輻射強(qiáng)度分布。由圖可知：噴管擴(kuò)張段發(fā)射率的改變對排氣系統(tǒng)兩波段紅外輻射強(qiáng)度均有影響，且20°探測方向上衰減量最大；收斂段發(fā)射率的改變對排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度幾乎無影響。

4.3 中心錐冷卻對紅外輻射強(qiáng)度的影響

圖13給出了中心錐冷卻對排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度的影響。由圖可知：中心錐溫度的降低只影響3～5 μm波段在0°～15°探測方向上的紅外輻射強(qiáng)度，這主要是因?yàn)橹行腻F只在這個探測范圍內(nèi)可見。隨著中心錐冷卻溫度的降低，排氣系統(tǒng)在0°～15°探測方向上的紅外輻射強(qiáng)度逐漸減弱，其中在0°探測方向上的衰減量最大。與中心錐未冷卻相比，中心錐溫度降低50 K、100 K、150 K，紅外輻射強(qiáng)度最大衰減幅度分別為10.4%、19.1%、26.7%。

圖14給出了中心錐冷卻+低發(fā)射率涂層對排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度的影響。由圖可知：相比于中心錐未冷卻且發(fā)射率為0.9，中心錐溫度降低150 K且發(fā)射率為0.3，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度最大衰減幅度為36%。

5 結(jié)論

(1) 對3～5 μm波段，0°探測方向上中心錐紅外輻射貢獻(xiàn)最大(達(dá)60%)，10°探測方向上低壓渦輪紅外輻射貢獻(xiàn)最大(達(dá) 30%)，15°～90°探測方向上噴管擴(kuò)張段紅外輻射貢獻(xiàn)最大(達(dá)48%)。

(2)0°～90°探測范圍內(nèi)，5°探測方向上兩波段紅外輻射強(qiáng)度最大。

(3)加力筒體、噴管內(nèi)壁面和外罩發(fā)射率的改變，對8～14 μm波段紅外輻射強(qiáng)度的影響較3～5 μm波段的顯著。噴管收斂段發(fā)射率的改變，對排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度幾乎無影響。

(4)隨著中心錐溫度降幅增加，排氣系統(tǒng)在0°～15°探測方向上紅外輻射強(qiáng)度逐漸降低；與中心錐未冷卻相比，中心錐溫度降低50 K、100 K、150 K，紅外輻射強(qiáng)度最大衰減幅度分別為10.4%、19.1%、26.7%；中心錐溫度降低150 K，同時(shí)發(fā)射率由0.9降低到0.3，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度最大衰減幅度為36%。