(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，紅外末端精確制導(dǎo)以艦船的紅外輻射特征為探測(cè)目標(biāo)，具有抗干擾能力強(qiáng)、難以攔截等特點(diǎn)，是艦船面臨的重要威脅[1-2]。因此，紅外隱身對(duì)于艦船戰(zhàn)場(chǎng)生存能力至關(guān)重要[3-5]。煙囪部位是艦船主要的紅外輻射亮點(diǎn)，是紅外隱身關(guān)注的重點(diǎn)[6-7]。煙囪排氣百葉窗的主要作用是為煙囪引射冷卻空氣提供流道，冷卻空氣與主流高溫排氣的摻混，降低其溫度和紅外輻射。有學(xué)者通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法研究百葉窗安裝位置及大小、葉片傾角以及開(kāi)度等對(duì)引射冷卻的影響[8]。若設(shè)計(jì)不得當(dāng)，百葉窗葉片間的間隙可能造成紅外信號(hào)的外泄，對(duì)紅外隱身不利。隨著煙囪整體紅外隱身設(shè)計(jì)水平的提升[9-11]，百葉窗區(qū)域紅外輻射問(wèn)題逐漸凸顯，目前這方面的研究較少，難以支撐百葉窗紅外隱身的設(shè)計(jì)。為此，利用幾何光學(xué)的方法，建立煙囪紅外輻射傳輸模型，分析排氣百葉窗漫反射-出射過(guò)程，初步探索排氣百葉窗對(duì)紅外信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，以期為百葉窗紅外隱身的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù)。

1 原理及方法

艦船動(dòng)力裝置煙囪排氣引射百葉窗為平行葉片結(jié)構(gòu)，相鄰葉片之間存在一定的重疊，可以遮擋內(nèi)部高溫部件產(chǎn)生的紅外輻射通過(guò)直接透射的方式向遠(yuǎn)處傳播，但是紅外線仍然可以通過(guò)漫反射的方式向外傳播，造成紅外信號(hào)的泄漏，見(jiàn)圖1。

圖1 紅外線“透過(guò)”百葉窗的傳輸光路原理

百葉窗的表面可認(rèn)為是灰體表面，可吸收或者反射紅外線，將表面的吸收率α表示為[12]

α=1-ρ=1-ε

式中：ρ為反射率，ε為發(fā)射率。

由百葉窗A向A′的投射輻射力為

(1)

穿過(guò)百葉窗間隙的紅外線的輻射力J′可以由下式來(lái)表示：

(2)

使用“數(shù)學(xué)粒子追蹤”通過(guò)離散傳遞法來(lái)模擬輻射傳輸。煙囪內(nèi)部高溫部件產(chǎn)生的紅外輻射通過(guò)向后射線追蹤的方式來(lái)模擬，代表射線的粒子以恒定速度從輻射源的表面射出，其分布方式為在速度空間半球內(nèi)均勻釋放，每條射線的輻照度Hij滿足

(3)

式中:Eb為黑體輻射功率；θ為初始粒子速度矢量與面法向之間的銳角；dθ為每條射線所對(duì)的立體角，對(duì)于網(wǎng)格單元i，其輻照度為

(4)

式中：N為網(wǎng)格單元i釋放的射線數(shù)。

射線遇到壁面后，根據(jù)壁面的性質(zhì)，發(fā)生“粒子凍結(jié)”、“粒子漫反射”等。百葉窗葉片為“漫反射”邊界。最后，統(tǒng)計(jì)通過(guò)百葉窗后被接收到的粒子數(shù)量就可以得到紅外信號(hào)通過(guò)百葉窗向外傳播的能量。

2 仿真模型

2.1 仿真方法及流程

為開(kāi)展紅外輻射亮點(diǎn)機(jī)理分析，首先需要得到煙囪傳熱傳質(zhì)過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布。本文綜合運(yùn)用ANSYS Fluent商用CFD仿真軟件以及COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析。其中，ANSYS Fluent由于其內(nèi)置算法簡(jiǎn)單、計(jì)算內(nèi)存消耗小、計(jì)算空間大等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將承擔(dān)開(kāi)放空間計(jì)算任務(wù)；而后將ANSYS Fluent中計(jì)算得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)導(dǎo)入到COMSOL Multiphysics中做進(jìn)一步模擬驗(yàn)證，并為后續(xù)紅外亮點(diǎn)機(jī)理分析的仿真計(jì)算獲取基本輸入數(shù)據(jù)。具體步驟如下。

第一步，采用ANSYS Fluent，選取煙囪及煙囪外部三倍大小的區(qū)域作為仿真計(jì)算域，進(jìn)行大空間中傳熱傳質(zhì)過(guò)程分析；

第二步，根據(jù)ANSYS Fluent商用CFD軟件的計(jì)算結(jié)果，將格柵位置處的流場(chǎng)數(shù)據(jù)帶入COMSOL Multiphysics中作為邊界條件，以此對(duì)煙囪內(nèi)部的煙氣濃度和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并與ANSYS Fluent的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

第三步，提取COMSOL模擬計(jì)算傳熱傳質(zhì)環(huán)節(jié)中所得到的格柵表面溫度，導(dǎo)入紅外仿真模型中，對(duì)兩種排氣引射格柵的自發(fā)紅外輻射進(jìn)行模擬計(jì)算。

第四步，提取COMSOL模擬計(jì)算傳熱傳質(zhì)環(huán)節(jié)中所得到的排氣管道以及煙氣外輪廓的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入紅外仿真模型中，以此作為紅外輻射熱源，對(duì)“漫反射-出射”所導(dǎo)致煙囪內(nèi)部高溫部件及煙氣的紅外輻射信號(hào)外泄現(xiàn)象進(jìn)行模擬仿真。

利用COMSOL Multiphysics“幾何光學(xué)”、“數(shù)學(xué)粒子追蹤”和“流體傳熱”三個(gè)模塊，進(jìn)行紅外輻射仿真。

2.2 幾何模型

根據(jù)典型艦船煙囪結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，對(duì)實(shí)際艦船煙囪進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到如圖2所示的煙囪幾何模型，煙囪左右兩側(cè)布置排氣引射格柵。排氣引射格柵外形及尺寸根據(jù)典型艦船常用的排氣引射格柵選取。假定煙氣初速為20 m/s，煙氣初始溫度T0=400 ℃。

圖2 排氣引射格柵分布及煙囪模型(單位為mm)

三維模型見(jiàn)圖 3。圖3中邊界1是指紅外輻射源，即煙囪內(nèi)部高溫組件以及煙氣的輻射表面。邊界2為開(kāi)放界面，包含：煙囪出口、煙囪內(nèi)部界面、煙囪底部、外部空氣域的非觀察面區(qū)域。邊界3為次要二次反射界面，指煙囪外殼除百葉窗區(qū)域外的三個(gè)內(nèi)表面。邊界4為主要二次反射界面，指百葉窗中所有葉片的內(nèi)、外表面集合。邊界5為觀察界面，包含：紅外輻射源與外部觀察界面。

圖3 三維模型

2.3 計(jì)算設(shè)置

2.3.1 “幾何光學(xué)”接口設(shè)置

邊界1是指紅外輻射源，即煙囪內(nèi)部高溫組件以及煙氣的輻射表面。邊界2壁面條件設(shè)置為“消失”。邊界3壁面條件設(shè)置為“粘附”。邊界4壁面條件設(shè)置為“漫散射”。邊界5其壁面條件設(shè)置為“凍結(jié)”。邊界1的光源初始位置的設(shè)置依據(jù)主要是該出的具體細(xì)分網(wǎng)格幾何位置；而其輻射射線方向設(shè)定為半球類型，其空間內(nèi)射線數(shù)定義為10 000條，并且其輻射方向隨機(jī)。

2.3.2 “數(shù)學(xué)粒子追蹤”接口設(shè)置

“數(shù)學(xué)粒子追蹤”接口同樣是用來(lái)模擬光子與壁間的相互作用，邊界設(shè)置與“幾何光學(xué)”中的相關(guān)設(shè)置是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外線傳播光路分析

百葉窗的紅外信號(hào)特征被遠(yuǎn)距紅外熱成像儀所捕捉，原因主要有兩點(diǎn)：一是百葉窗自身發(fā)射的紅外輻射，二是煙囪內(nèi)部高溫部件產(chǎn)生的紅外輻射通過(guò)煙囪排氣引射百葉窗平行葉片結(jié)構(gòu)的多次漫反射向外傳播。

通過(guò)幾何光學(xué)和數(shù)學(xué)粒子追蹤的方法分別對(duì)百葉窗葉片自發(fā)輻射和煙囪內(nèi)部高溫部件產(chǎn)生的紅外線傳輸光路進(jìn)行模擬。百葉窗自發(fā)紅外輻射的傳播光路見(jiàn)圖4，其紅外線傳播路徑分布呈明顯的半球狀。煙囪內(nèi)部高溫部件產(chǎn)生的紅外輻射通過(guò)百葉窗平行葉片結(jié)構(gòu)的傳播光路見(jiàn)圖5。

圖4 百葉窗自發(fā)紅外輻射的傳播光路

圖5 煙囪中內(nèi)部高溫部件與煙氣的紅外線傳播光路

可以看出，其向外部空間傳播的分布也呈近似半球分布。大量的紅外線通過(guò)百葉窗葉片間隙傳播到了煙囪外部，且紅外線傳播方向主要為水平方向，這意味著，通過(guò)百葉窗漫反射出來(lái)的紅外信號(hào)可以被水平探測(cè)方向上的紅外傳感器所接收，形成艦船紅外輻射的暴露特征。

3.2 紅外輻射亮度

進(jìn)一步計(jì)算觀察界面(圖3中所示界面5)，接收到的紅外輻射亮度見(jiàn)圖6。其平均值為158.6 W/(m2·sr)，葉片自發(fā)輻射的平均輻亮度為8.4 W/(m2·sr)。兩者相比可知，由百葉窗間隙處的“漫反射-出射”所導(dǎo)致的內(nèi)部高溫部件與煙氣的紅外信號(hào)“泄漏”是形成紅外輻射亮點(diǎn)的主要原因。

為了探索通過(guò)光路控制抑制紅外信號(hào)“泄漏”的途徑，在保證葉片間距不變的前提下，對(duì)百葉窗的葉片傾斜角度進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在僅改變格柵扇葉傾斜角度時(shí)，觀察界面所接收到的平均紅外輻射亮度隨葉片傾斜角的增大而減小。這表明，通過(guò)增大葉片傾斜角度，控制光路傳播的方向可以減小水平探測(cè)方向上紅外信號(hào)的強(qiáng)度，有利于紅外隱身。

圖6 排氣引射格柵在接收界面出的紅外輻射照度分布

表1 改變?nèi)~片傾斜角度的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

1)煙囪內(nèi)部高溫部件產(chǎn)生的紅外輻射通過(guò)百葉窗平行葉片結(jié)構(gòu)向外部空間傳播，其分布呈近似半球分布。

2)由百葉窗間隙處的“漫反射-出射”所導(dǎo)致的內(nèi)部高溫部件與煙氣的紅外信號(hào)“泄漏”是形成紅外輻射亮點(diǎn)的主要原因。

3)通過(guò)增大葉片傾斜角度，控制光路傳播的方向可以減小水平探測(cè)方向上紅外信號(hào)的強(qiáng)度，有利于紅外隱身。