基于Fluent的飛機紅外輻射特性建模與仿真

吳沿慶，廖守億，張作宇

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基于Fluent的飛機紅外輻射特性建模與仿真

吳沿慶，廖守億，張作宇

（火箭軍工程大學測控工程系，陜西 西安 710025）

建立飛機幾何模型進行非結構化網格處理，基于Fluent軟件對飛機在外流場作用下的氣動熱進行了數值模擬計算，綜合考慮尾噴管、尾焰輻射對飛機機身溫度的影響，獲得飛機表面的溫度分布數據，然后基于反向蒙特卡洛法建立飛機機身紅外輻射特性計算模型，利用輻射傳輸方程計算尾焰紅外輻照度，通過灰度轉換獲得飛機的紅外圖像。

紅外輻射特性；Fluent；非結構化網格；反向蒙特卡洛法；灰度轉換

0 引言

隨著紅外成像制導和紅外探測技術的迅猛發展，各類武器系統在研制過程中越來越重視對武器裝備的紅外輻射特性進行分析。近年來，航空航天領域競爭趨向白熱化，以飛機為典型代表的空中目標紅外仿真研究得到各國的高度重視，國外開發出很多成熟的軟件平臺，如北約聯合開發的空中目標紅外輻射模型軟件NIRATAM，俄羅斯的IRSAM計算模型，美國的SPIRIT等。國內在紅外仿真領域做了大量的研究但沒有開發出可投入商用的成熟軟件平臺。目前針對飛機的紅外特性研究主要有兩種典型的方法，一是在真實環境下通過試飛獲得實測數據與理論數據的對比試驗，二是利用計算機進行理論或工程模擬仿真[1]。文獻[2]基于傳熱學原理求解節點網絡熱平衡方程獲得飛機表面溫度場，利用OpenGL庫生成可視化飛機紅外圖像，文獻[3]和[4]基于計算流體力學（computa- tional fluid dynamics, CFD）計算得到飛機表面及流場溫度分布情況，基于MOTRAN計算獲得環境輻射數據，建立了背景輻射下的飛機紅外輻射特性計算模型。在以往的研究中，對飛機等空中目標的紅外特性建模工作多將蒙皮的駐點溫度或恢復溫度作為蒙皮的實際溫度，沒有考慮外部流體的空氣動力學影響，對飛機內外部傳熱的耦合作用缺乏深入研究[5]；多數文獻選擇將飛機蒙皮視為發射率為常量的灰體進行建模仿真工作，而實際光譜發射率是溫度與波長的函數，把發射率當作定值處理往往會帶來較大的誤差。

在建立飛機幾何模型的基礎上，對模型進行網格化處理，并建立飛機周圍外流場，利用商用軟件Fluent對飛機的外流場進行數值模擬求解獲得飛機表面的溫度場分布數據，進而獲得飛機紅外特征數據。

1 飛機幾何建模

1.1 飛機三維模型

以某型戰斗機為對象，利用三維建模軟件3ds Max 2010建立飛機的幾何模型可以簡化在Fluent前處理軟件中對飛機模型進行網格化處理的過程。將飛機模型按照指定的文件格式輸出，其建立的三維幾何模型如圖1所示。

圖1 戰斗機三維幾何模型

1.2 飛機網格劃分

網格生成是CFD中進行數值計算最關鍵的環節，網格生成的質量直接關系到CFD計算問題的正確性，因此對于復雜幾何外形和流場而言，網格生成工作是整個計算分析過程的首要部分，它耗費的時間占據了整個計算任務全部時間的60%左右[6]。目前較為先進和成熟的網格生成軟件有ICEM、Gambit、Gridgen、GridPro等等，其中ICEM作為CFD的前處理軟件，在工程實踐中得到了極大的發展，在網格生成方面具有較好的兼容性獲得了業界人士的認可。

本文在ICEM環境中對制作的飛機幾何模型進行進一步的網格化處理。對于飛機類的復雜結構幾何模型，進行結構化網格劃分的過程十分復雜而且很難生成滿足計算要求質量的網格。對飛機各部分分區進行非結構化網格劃分，采用局部網格加密技術對溫度變化較大的區域進行單獨設置不僅能保證較好的網格質量，同時也能減少網格生成周期，但網格生成過程對計算機的硬件要求較高。面網格為三角網格，體網格為四面體混合網格，劃分結果如圖2所示。

圖2 飛機非結構網格生成

2 飛機溫度場計算

2.1 蒙皮溫度場

蒙皮是飛機輻射面積最大的部分，也是飛機在8～14mm波段最主要的輻射來源，在紅外成像探測中具有較為明顯的輪廓線，成為目標識別的重要來源。飛行中，由于高速氣流的氣動加熱和發動機內熱源的輻射傳熱作用，飛機蒙皮表面溫度會有較劇烈的變化，從而產生大量的紅外輻射。對飛機這種復雜傳熱下的目標溫度場，求解最精確和普遍的做法是利用節點網絡法求解面元的節點熱平衡方程。但這種耦合的非線性方程一般沒有精確的代數解，通常將駐點溫度或恢復溫度作為飛機表面的初始溫度進行數值計算求解非線性方程。

本文利用商用CFD軟件Fluent對飛機外流場進行數值模擬計算。在對飛機表面進行網格化處理后，對飛機的外流場區域也要進行網格劃分，為保證飛機的外流場的完整性和計算的可靠性，將飛機的外流場區域簡化為一個長方形區域，其長度為飛機長度的15倍，其他方向為機身最大展寬5～10倍，目標處于流場1/3處，面網格全部采用三角形網格，體網格為四面體混合網格。外流場網格劃分如圖3所示。

圖3 飛機外流場網格劃分

采用Fluent的分離隱式求解器進行求解計算，湍流模型采用Spalart Allmaras模型，設定飛機及流場邊界條件如下[2]：

①飛機周圍四周為壓強遠場邊界：飛行速度為1.6，假定飛機飛行高度為11km，迎角為0，設置靜壓為2.27×104Pa，溫度217K，流動方向為機身縱軸方向。

②進氣道進口為壓強出口邊界：靜壓等于大氣壓強，質量流量為82kg/s。

③尾噴口為質量入口邊界：質量流量為82kg/s，設噴管中燃氣完全膨脹，噴口靜壓等于大氣壓強，為2.27×104Pa，溫度為1205K。

固體壁面均采用無滑移速度邊界條件，內外流耦合壁面設定為流-固耦合面，獲得溫度場分布如圖4。

圖4 飛機機身溫度場分布

2.2 尾焰溫度場

飛機尾焰流場具有很強的紅外輻射作用，也是飛機最顯著的紅外輻射源，發動機排出的高溫熱氣體和粒子形成的尾焰主要為燃燒后產生的二氧化碳和水蒸汽氣體，為選擇性輻射體。尾焰輻射受發動機推進劑和燃燒后生成物的組成成分、工作狀態、飛行狀態和尾焰的形狀影響，其溫度分布較為復雜[7]，同時尾焰對噴口的輻射具有吸收作用。對尾噴焰溫度的分析涉及噴流流場及氣體分子輻射理論，尾焰流場受宏觀守恒定律的約束包括質量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律，必須求解基于化學反應平衡混合模型Navier-Stokes方程組[8]。綜合考慮發動機尾噴管與尾焰的輻射作用，將發動機尾噴管簡化為柱形空腔體組合，尾噴管出口為尾焰的壓力入口邊界，尾焰射流核心部位采用局部網格加密進行處理，確保網格密度能反映出尾焰流動特征。尾焰外流場區域用足夠長圓柱體網格包絡，直徑為發動機最大直徑的5倍，長度為發動機最大直徑的30倍，飛機噴管及尾焰外流場網格劃分如圖5所示。利用Fluent基于壓力和速度的分離隱式求解器對壓力修正方程、動量方程和能量方程進行求解，速度壓力耦合采用Simple算法，各參數離散采用二階迎風差分格式。

圖5 飛機尾噴管及尾焰流場網格

噴管口設置為質量入口邊界如2.1節中邊界條件③設定，尾焰流場邊界全部采用壓力遠場邊界條件模擬空氣自由來流。Fluent仿真獲得的尾焰溫度分布結果如圖6。

圖6 Fluent仿真尾焰溫度圖像

3 飛機紅外輻射計算

3.1 飛機機身紅外輻射

機身紅外輻射采用基于輻射傳遞因子的反向蒙特卡洛法（reverse Monte Carlo, RMC）計算，詳細計算過程參照文獻[9]所述。反向蒙特卡洛法的基本思想是在視場角范圍內從探測點向飛行器發射若干光束，經過一系列的傳遞過程，統計能夠對目標產生影響的每個體元和面元，然后利用相對性原理計算到達特定方向上的紅外輻射能量。在Fluent計算獲得溫度場的基礎上將輻射傳輸過程分為發射、反射、吸收和散射等一系列獨立的子過程，并建立每個子模型的概率模型，根據反向蒙特卡洛法，從探測或接受點發射一定量的光束，跟蹤、統計每個光束的結果（被吸收或從系統逃逸），從而獲得面元輻射能量分配的統計結果，通過數學抽樣統計的方法，考慮每個壁面單元與所有壁單元之間的相互作用，避免了每個壁面單元間角系數的繁瑣計算過程，其計算步驟如圖7。

圖7 反向蒙特卡洛法計算過程

3.2 飛機尾噴管紅外輻射

工程計算中將飛機尾噴管部分視為灰體，假定尾噴管內腔各點溫度是均勻的，并且呈漫反射特性，根據尾噴管的流場溫度和面積計算其紅外輻射，其總輻射出射度表示為：

＝T4(1)

輻射功率為：

＝p2/4 (2)

指定波段內，尾噴管黑體輻射出射度表示為：

式中：為輻射波長；為普朗克常數；為光速；為獲取的尾噴管溫度；為波爾茲曼常數。

目標輻射亮度和輻射強度計算公式分別為：

式中：D為噴口面積；1為噴口截面法線與觀察方向夾角。

由于高溫尾焰對噴管輻射熱量具有強烈的吸收作用，這部分損耗的輻射對尾噴管的紅外特性有很大的影響，對飛機在指定路徑上的輻射需加以修正[5]：

￠(,)＝(,)×(,,) (6)

式中：￠(,)為修正后的尾噴管輻射強度；(,,)為噴管通過尾焰的指定路徑的透過率。

3.3 飛機尾焰紅外輻射

飛機尾焰的紅外輻射較為復雜，主要取決于高溫尾焰的溫度場和組成成分，不同高溫氣體間存在著吸收和釋放紅外能量的復雜關系[10]。文獻[1]采用了微觀譜帶模型C-G近似法計算，考慮譜線的展寬效應和多普勒展寬效應對尾焰的紅外輻射沿任一視線方向的輻射亮度進行了計算。文獻[11]利用經驗法簡化計算模型，在獲得溫度場的基礎上根據普蘭克公式計算得到尾焰輻射強度。本文利用解輻射方程的方法進行計算，盡管計算量較大，但美國、西歐、以色列等紅外技術水平較高的國家均用此方法解決羽流輻射的計算問題。飛機尾焰的輻射傳輸方程可用下式[10]表述：

式中：為尾焰相對于觀測方向的光譜輻射亮度；,b為某一位置處的光譜輻射亮度；為該方向傳輸路徑；(,￠,)為沿傳輸路徑中某點處的光譜透過率。

對式(7)在波長，構成立體角俯仰角為、方位角積分，可得到觀測點處的輻照度為：

式中：、分別為視角范圍內的俯仰角取值上下限；分別為視角范圍內方位角取值上下限；分別為光譜波長上下限。

4 成像仿真

在獲得了飛機的紅外輻射強度的基礎上，需要將各部分輻射強度表現為可視化圖像，才能獲得飛機的紅外圖像，生成的灰度圖像效果如圖8所示。將飛機的紅外輻射強度轉化成灰度等級是線性轉換，是均勻量化的過程，采取以下方法進行[7]：

1）確定灰度值上下限。將灰度圖像設定為256個等級，灰度范圍為256，其中min＝0，max＝255；

2）確定計算的輻射強度的最大、最小輻射強度值，分別用max和min表示；

3）各輻射強度為處對應的灰度值為：

5 結論

以殲十戰斗機為例，利用商用CFD軟件Fluent對飛機的流場進行數值模擬仿真獲得了飛機的溫度場分布，在此基礎上對飛機的紅外輻射特征進行計算和圖像生成工作，避免了以往通過建立傳熱學模型，求解熱平衡方程的繁瑣過程。利用Fluent求解器對尾焰的Navier-Stokes方程組進行溫度求解使得結果更精確，可靠性更強。基于反向蒙特卡洛法原理編寫機身面元輻射計算程序，利用輻射傳輸方程對尾焰輻射照度進行計算。

本文僅對飛機的本征紅外輻射特征進行了計算，獲得了飛機零視距的紅外圖像，沒有將飛機在空中飛行的背景輻射和大氣傳輸過程相結合模擬更真實的紅外場景，在尾焰仿真計算中沒有考慮不同氣體組分對尾焰溫度及其紅外輻射亮度的影響，這也是下一步研究的方向和重點。

[1] 宗靖國, 張建奇, 劉德連. 隱身飛機尾焰的紅外輻射特性[J]. 光子學報, 2011, 40(2): 289-294.

ZONG Jingguo, ZHANG Jianqi, LIU Delian. Infrared radiation characteristics of the stealthaircraft[J]., 2011, 40(2): 289-294.

[2] 李慎波, 童中翔, 王超哲, 等. 飛機機體紅外輻射特性研究[J]. 激光與紅外, 2014, 44(7): 739-744.

LI Shenbo, TONG Zhongxiang, WANG Chaozhe, et al. Study on the infrared radiation characteristics of the aircraft airframe[J]., 2014, 44(7): 739-744.

[3] 黃偉, 吉洪湖. 蒙皮發射背景輻射對亞音速飛機紅外特征的影響研究（一）:方法[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(6): 1699-1703.

HUANG Wei, JI Honghu. Effect of reflected background radiation by skin on infrared signature of subsonic aircraft(I): methodology[J]., 2015, 44(6): 1699-1703.

[4] 黃偉, 吉洪湖. 蒙皮發射背景輻射對亞音速飛機紅外特征的影響研究（二）: 應用[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(7): 2039-2043.

HUANG Wei, JI Honghu. Effect of reflected background radiation by skin on infrared signature of subsonic aircraft(II): application[J]., 2015, 44(7): 2039-2043.

[5] 夏新林, 艾青, 任德鵬. 飛機蒙皮紅外輻射的瞬態溫度場分析[J]. 紅外與毫米波學報, 2007, 26(3): 174-177.

XIA Xinlin, AI Qing, REN Depeng. Analysis on the transient temperature fields for infrared radiation of aircraft skin[J]., 2007, 26(3): 174-177.

[6] 張運輝. 全機復雜流場N-S方程數值模擬[D]. 西安: 西北工業大學, 2006.

ZHANG Yunhui.Numerical simulation of N-S equation for complex flow field[D]. Xi’an:Northwestern Polytechnical University, 2006.

[7] 李建勛, 童中翔, 王超哲, 等. 飛機目標紅外特性計算與圖像仿真[J]. 兵工學報, 2012, 33(11): 1311-1318.

LI Jianxun, TONG Zhongxiang, WANG ChaoZhe, et al. Calculation and image simulation of aircraft infrared radiation characteristic[J]., 2012, 33(11): 1311-1318.

[8] 王明明, 郝潁明, 朱楓, 等. 空中目標紅外輻射特性計算與實時仿真[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(8): 1979-1984.

WANG Mingming, HAO Yingming, ZHU Feng, et al. IR radiation calculation and real time simulation of air targets[J]., 2012, 41(8): 1979-1984.

[9] 呂建偉, 王強. 飛行器蒙皮紅外輻射特征的反向蒙特卡洛計算與分析方法[J]. 紅外與激光工程, 2009, 38(2): 232-237.

LV Jianwei, WANG Qiang. Numerical calculation and analysis of infrared radiation characteristics from aircraft skin by using RMC method[J]., 2009, 38(2): 232-237.

[10] 柴世杰, 童中翔, 李建勛, 等. 典型飛機紅外輻射特性及探測仿真研究[J]. 火力指揮與控制, 2014, 39(8): 26-33.

CHAI Shijie, TONG Zhongxiang, LI Jianxun, et al. Infrared radiation characteristics and detection of stealth aeroplane[J]., 2014, 39(8): 26-33.

[11] 王剛, 孫嗣良, 張凱. 飛機目標的紅外建模與探測器成像[J]. 科學技術與工程, 2012, 12(2): 377-380.

WANG Gang, SUN Siliang, ZHANG Kai. Infrared modeling of aircraft targets with imaging detector[J]., 2012, 12(2): 377-380.

Modeling and Simulation of Airplane Infrared Signature Using Fluent

WU Yanqing，LIAO Shouyi，ZHANG Zuoyu

(,, 710025,)

An aircraft geometric model is established for unstructured grid processing, and numerical simulation of the aerodynamic heat in the external flow field is carried out using the Fluent software. Considering the influence of nozzle and plume radiation on the aircraft temperature, the temperature distribution data of aircraft surface is obtained. The model for calculating infrared radiation of aircraft fuselage is established based on the reverse Monte Carlo method, the infrared irradiance of plume is calculated based on the radiative transfer equation, and the infrared image of the airplane is obtained using the method of gray level transformation.

Fluent，unstructured grid，reverse Monte Carlo method，gray level transformation

TN219

A

1001-8891(2017)06-0548-05

2017-02-21；

2017-03-03.

吳沿慶（1993-），男，安徽池州人，碩士研究生，主要研究方向為導航，制導與仿真。E-mail：1351771462@qq.com。

廖守億（1974-），男，重慶人，教授，碩士生導師，主要研究領域為復雜系統建模與仿真、導彈精確制導與控制。E-mail：6127725@qq.com。