航空發動機排氣系統紅外輻射特性數值研究

任利鋒，邵萬仁，徐 速，王 偉

(中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015)

1 引言

隨著現代紅外制導武器的發展，戰斗機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。發動機排氣系統是紅外輻射的主要來源，特別是3～5 μm波段，排氣系統紅外輻射強度的降低將大大提高飛機的生存力，因此對發動機排氣系統紅外輻射特征的研究十分必要。

降低發動機排氣系統紅外輻射強度的技術主要有高溫部件冷卻[1-4]、隱身涂層[5]和遮擋[6]等技術。現役的加力型發動機排氣系統中噴管主要是軸對稱噴管，改變其結構形式遮擋高溫部件達到降低排氣系統紅外輻射強度的可能性不大，最實用的紅外抑制措施就是高溫部件冷卻和低發射率涂層應用。針對這些技術，國內已經開展了一定的研究。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行了研究，單勇等[8]對中心錐冷卻結構的氣動特性和紅外輻射強度進行了試驗研究，黃偉等[9]針對降溫和低發射率對排氣系統紅外輻射特征的影響進行了研究。國外也開展了一系列的研究，主要在高溫部件冷卻、強化摻混和低發射率涂層的應用方面。但在國內外研究中，關于排氣系統各固體壁面對紅外輻射的貢獻、各固體壁面不同發射率組合對排氣系統紅外輻射強度影響的相關公開報告尚不多見。

本文首先建立了航空發動機排氣系統流場計算模型。在流場計算結果基礎上，利用現有的紅外輻射特征數值計算軟件，計算了發動機排氣系統的紅外輻射特征，得到了排氣系統在不同紅外抑制措施下的紅外輻射強度分布曲線。該計算結果可為發動機紅外隱身設計提供理論依據。

2 物理模型

航空發動機排氣系統的幾何結構如圖1所示，包括內涵道、外涵道、中心錐、合流環、加力筒體、火焰穩定器、收擴噴管、噴管外罩。

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

3 計算方法

3.1 流場計算

運用Fluent軟件進行流場計算。熱燃氣假設為理想可壓縮流體。除壁面與流體間的對流換熱外，還考慮了燃氣和壁面間的輻射換熱(不考慮燃氣的散射)。使用基于密度耦合的算法，采用標準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格式進行離散，壁面附近采用標準壁面函數。噴管的邊界條件設置為壓力入口，流動方向為沿噴管軸向。內涵總溫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。空氣中氮氣和氧氣體積分數分別為78%、22%。燃油分子式取C12H23，完全燃燒反應和不完全燃燒反應方程式分別為4C12H23+71O2=48CO2+46H2O和4C12H23+47O2=48CO+46H2O。計算得出內涵進口處氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣和一氧化碳質量百分比，分別為0.74640、0.14630、0.07720、0.03020和 0.00025；外場為環境大氣，其成分為氮氣和氧氣，其質量百分比分別為0.767、0.233。輻射換熱中采用DO模型，外涵進口設置為發射率0.9的灰體。

采用非結構化網格對計算模型進行網格劃分，網格總數控制在約120萬。圖3給出了排氣系統及外場網格分布。其中，中心錐、火焰穩定器和噴流核心區域網格進行了加密，而噴流核心區以外空間網格逐漸變稀。

3.2 排氣系統紅外輻射計算

排氣系統的紅外輻射特征采用離散傳遞法計算。其思路是：將換熱系統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內的傳遞過程中，一方面受到沿途介質的吸收和散射，另一方面又因沿途介質的發射得到增強；通過累加所有進出介質內某微元體的各離散傳遞方向的輻射強度的變化量，即可得到該微元體所獲得的凈輻射能量。據此可得到尾焰和壁面到達探測點的輻射照度[10-13]。探測點的位置分布如圖4所示。由于模型的軸對稱性，在0°～90°范圍每隔5°設置一個探測點，共19個探測點。

3.3 計算方法驗證

根據文獻[8]，以涵道比為0.3構建的無中心錐冷卻噴管的基準試驗模型為基礎，建立計算模型。圖5為基準軸對稱收擴噴管尺寸和實物。圖6顯示了涵道比0.3時排氣系統紅外輻射強度數值計算結果和試驗結果，二者基本吻合，驗證了本文排氣系統的紅外輻射計算方法。

4 計算結果與分析

4.1 排氣系統各固體壁面紅外輻射強度貢獻度分析

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

4.2 發射率對排氣系統紅外輻射強度的影響

圖8給出了排氣系統所有固體壁面發射率(ε)統一設定為0.8、0.5、0.3時，排氣系統兩波段無量綱紅外輻射強度I/I0的分布，其中I0為某定值積分輻射強度。由圖可知：固體壁面發射率的改變在0°～15°探測方向上對3～5 μm波段紅外輻射強度的影響比較顯著，而在20°～90°探測方向上的影響較小。這主要是因為3～5 μm波段主要紅外輻射源(低壓渦輪、中心錐、火焰穩定器)在0°～15°探測方向上貢獻較大，在其他探測方向上貢獻較小。在0°～90°探測方向上，固體部件發射率的改變對8～14 μm波段紅外輻射強度均有影響，且發射率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為排氣系統各固體壁面發射率均設定為0.8時四個探測方向上紅外輻射亮度。由圖可知，探測角度5°時，排氣系統紅外輻射亮度的區域最大。

圖10給出了低壓渦輪、加力筒體、噴管內壁面和噴管外罩發射率為0.8不變，中心錐、火焰穩定器和合流環發射率為0.8、0.5、0.3時，排氣系統兩波段紅外輻射強度分布。由圖可看出：兩波段紅外輻射強度最大值都出現在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、火焰穩定器、中心錐等高溫固體紅外輻射強度和反射強度之和最大；中心錐、火焰穩定器和合流環發射率的改變，只影響兩波段在0°～20°探測方向上的紅外輻射強度，且隨著發射率的降低，兩波段在0°～20°探測方向上的紅外輻射強度逐漸減小。

圖11給出了中心錐、火焰穩定器和合流環發射率設定為0.5，加力筒體、噴管內壁面和外罩發射率為0.8、0.5、0.3時，排氣系統兩波段紅外輻射強度分布。由圖可看出：加力筒體、噴管內壁面和外罩發射率的改變，在不同探測角度范圍對排氣系統3～5 μm波段紅外輻射的影響規律不同。在0°～10°探測范圍，發射率為0.5時，紅外輻射強度最小；在10°～35°探測范圍，發射率為0.8時，紅外輻射強度最小；在35°～90°探測范圍，發射率為0.3時紅外輻射強度最小。該分布規律是固體部件自身輻射和反射共同作用的結果。在 0°～90°探測范圍，排氣系統 8～14 μm波段紅外輻射強度隨著筒體、噴管內壁面和噴管外罩發射率的降低逐漸減小，其中加力筒體、噴管內壁面和外罩發射率改變的影響較顯著。

圖12給出了中心錐、火焰穩定器、合流環、加力筒體發射率為0.8，噴管收斂段和噴管擴張段發射率變化時，排氣系統兩波段紅外輻射強度分布。由圖可知：噴管擴張段發射率的改變對排氣系統兩波段紅外輻射強度均有影響，且20°探測方向上衰減量最大；收斂段發射率的改變對排氣系統紅外輻射強度幾乎無影響。

4.3 中心錐冷卻對紅外輻射強度的影響

圖13給出了中心錐冷卻對排氣系統紅外輻射強度的影響。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度，這主要是因為中心錐只在這個探測范圍內可見。隨著中心錐冷卻溫度的降低，排氣系統在0°～15°探測方向上的紅外輻射強度逐漸減弱，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+低發射率涂層對排氣系統紅外輻射強度的影響。由圖可知：相比于中心錐未冷卻且發射率為0.9，中心錐溫度降低150 K且發射率為0.3，排氣系統紅外輻射強度最大衰減幅度為36%。

5 結論

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

(2)0°～90°探測范圍內，5°探測方向上兩波段紅外輻射強度最大。

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

(4)隨著中心錐溫度降幅增加，排氣系統在0°～15°探測方向上紅外輻射強度逐漸降低；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，同時發射率由0.9降低到0.3，排氣系統紅外輻射強度最大衰減幅度為36%。