柴油機水下排氣紅外抑制仿真及試驗研究

唐斯密，李銑鑌

海軍研究院，北京100161

0 引 言

在現代艦艇設計中，隱身性能越來越受到重視。在水面艦艇柴油機排氣的紅外抑制措施方面，國內外開展了一系列研究，一些紅外抑制技術也已應用于各型艦艇［1-6］。而潛艇在通氣管航態下需要浮出水面進行充電，此時柴油機排氣口距離水面位置近，排氣溫度高、流量大，極易在海面形成大范圍的溫度差而被紅外探測裝備偵查到。在潛艇的柴油機紅外抑制技術方面，雖然也有不少學者進行了研究，但仍處于初步研究階段［7-12］。

本文將針對排氣總管煙氣溫度過高的問題，設計兩級降溫措施：一是在排氣總管中內置噴淋水霧系統，利用水的汽化潛熱，對高溫煙氣進行初步冷卻；二是通過排氣總管末端的小孔排氣，將大股煙氣分散排出，增加氣體與海水的熱交換，從而將煙氣溫度盡量擴散至海水中。為了驗證設計的正確性，建立仿真模型并開展計算，然后根據計算結果搭建柴油機水下排氣系統模型，并使用紅外熱像儀及溫度計測量不同狀態下的水面紅外、水下溫度及排氣管背壓等數據。

1 建模及仿真

柴油機排氣的物理模型參數如下：噴管直徑100 mm，高溫氣體流速10 m/s、氣體溫度350℃（本文將燃氣近似為空氣處理）；噴管放置于水面以下0.5 m處，水流速度0.1 m/s，水溫為常溫27℃，水流方向與噴氣方向一致。仿真計算的水面溫度分布如圖1所示。

圖1 柴油機水下排氣模型Fig.1 The model of diesel engine under water

對圖1（b）所示模型，首先模擬排氣管內部噴淋裝置對高溫煙氣的冷卻效果。在模擬過程中，對噴嘴流量從0.01～0.03 kg/s變化、噴霧平均粒徑為30和50 μm的工況進行了模擬。表1給出了模擬所得不同排氣管出口面的平均溫度。由模擬結果可知，當噴嘴流量為0.03 kg/s時，能夠將350℃的高溫氣流冷卻到60℃左右。

表1 不同流量和噴射粒子下排氣管的出口溫度Table 1 The outlet temperature with different flow rates and particle diameters

在噴嘴流量足夠的情況下，可以充分發揮汽化潛熱的作用，將排氣的溫度大大降低。而粒子直徑越小，越容易蒸發，對增加冷卻效果有積極的影響。由模擬可知，管內高溫氣流通過噴水降溫，當流速從進口的10 m/s降到出口的6.27 m/s，溫度從進口的350℃降到出口的60℃左右時，出口截面上的相對濕度約100%。通過噴霧降溫過程，高溫氣流變成了濕氣流動。因此，通過以上仿真，可將噴嘴流量選擇為0.03 kg/s。噴霧平均粒徑越小，冷卻效果越好，但越小的粒徑在工程應用時對增壓泵的要求也越高，且通過仿真對比，在0.03 kg/s流量下，30 μm與50 μm粒徑的冷卻效果相當，因此選擇噴霧粒徑為50 μm。圖2所示為柴油機水下直接排放時與紅外抑制后的仿真對比圖。

圖2 柴油機水下排氣仿真結果對比Fig.2 The comparison of simulation results when diesel engine exhaust under water on different conditions

由圖2所示的仿真結果可知：如果不對水下排氣進行控制，高溫排氣極易浮升至水面并散發到空氣中，而經紅外抑制后，除排氣總管的溫度較高外，其他部分的溫度基本保持在穩定狀態；水下排氣會在水面造成浪花，水面不可能保持水平狀態，為統一測量標準，通過設置水平面溫度監控，在紅外抑制后，水平面最高溫度可下降約300℃，基本接近原始環境溫度。仿真結果顯示，所設計的紅外抑制裝置可極大地改善水下排氣的紅外輻射問題。

2 試驗系統

根據仿真結果，設計了如圖3所示的試驗系統。試驗裝置由循環水槽、循環水泵、柴油機排氣模擬器、排氣管分流裝置、水下排氣管、流量調節閥門以及紅外抑制裝置（噴淋系統和小孔排氣裝置）組成。柴油機模擬器排放出指定溫度的高溫氣體，氣體流入一個三通閥后分為2個走向，一端排向水下排氣總管，另一端排放至大氣，通過調節排氣閥門的大小，使水下排氣流量達到指定值。在水下排氣總管中內置水霧噴淋裝置，該噴淋裝置由專門的噴射泵控制，以使噴射流量達到設定的要求。為模擬潛艇在水下的運動，水槽采用循環水泵，以使水在水槽內具備一定的流速。

圖3 試驗方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of experiment scheme

試驗參數與前期的仿真模型參數保持一致，如下所示：

1）相對水流速度：0.2 m/s；

2）水的溫度：27.3℃；

3）柴油機排氣噴管直徑：100 mm；

4）柴油機排氣速度及溫度：10 m/s，350℃：

5）柴油機排氣管中心距離水面深度：0.5 m；

6）內置噴嘴參數要求：水壓7.5 kg/cm2，流量0.03 kg/s；

7）排氣管末端小孔設計參數：2 400個直徑2 mm的小孔。

試驗裝置總圖如圖4所示。

圖4 試驗裝置Fig.4 The experiment setup

3 測試設備

由于柴油機對背壓的要求較高，為了驗證紅外抑制裝置對柴油機的正常工作無影響，在排氣總管中設置了壓力傳感器，以檢測各種狀態下背壓的變化情況。采用的安捷倫溫度測量系統在排氣管內有2個測量點：一是排氣管內部噴嘴前；二是排氣管內部噴嘴后。第1個溫度傳感器主要用于監測輸入的氣體溫度是否在額定值內，后面一個溫度傳感器用于檢測汽化潛熱發揮作用后的廢氣溫度變化。同時，采用紅外測量系統作為此次試驗的水面紅外監測手段。考慮到測量對象的溫度較高，紅外測量系統采用中波Image IR 8325型熱像儀，如圖5所示。

圖5 紅外測試系統Fig.5 The infrared data record system

4 試驗結果與分析

為了驗證兩級冷卻系統對柴油機背壓的影響，對以下4種狀態時的管道壓力進行了測量，結果如表2所示。

表2 不同狀態下排氣管壓力值Table 2 The pressure in the exhaust pipe under different conditions

當排氣管內置的噴淋裝置打開后，普通排氣管和小孔管狀態下的背壓均有一定程度的下降，這是因為氣體受冷后體積變小，但變化不明顯。在普通排氣管和小孔管狀態下，后者的開口面積雖然比前者的大，但小孔會有附加阻力損失，且根據觀察，部分小孔并未參與水下排氣。小孔排氣會在一定程度上增加阻力損失，但若開口設計得合理，增加的比例很小，則對背壓幾乎沒有太大影響。

為了分析兩級紅外冷卻系統的紅外抑制效果，在2種工況下對水槽內水面的紅外輻射強度進行了數據采集：1）柴油機高溫排氣直接排放于水中（常規排氣）；2）柴油機高溫排氣經兩級冷卻后排放至水中（紅外抑制）。這2種工況下的水面紅外熱像圖如圖6所示。

圖6 紅外抑制前、后水槽內的高溫排氣紅外熱像圖Fig.6 High temperature exhaust infrared image in the tank before and after infrared signature suppression

對比圖6（a）和圖6（b）可以發現：圖6（a）中的紅外輻射非常強烈，而且熱氣在水下是以大股氣體的形式直接浮升至水面，造成水面的浪花噴射較高；而圖6（b）中由于小孔排氣將氣體分成了多個小股氣流，減弱了其浮升速度，增加了熱交換，故水面情況較為緩和，基本消除了水面紅外特征。將圖6（a）和圖6（b）中的高溫部分提取并進行紅外分析，得到紅外抑制前、后的紅外輻射亮度如表3所示。

表3 不同工況下水面紅外輻射亮度對比Table 3 Comparison of infrared radiation brightness of water surface under different conditions

表3所示結果表明：高溫排氣經兩級冷卻后，3～5 μm的輻射亮度降幅很大，最大輻射亮度從50.85 W/m2降到了6.02 W/m2，平均輻射亮度從17.36 W/m2降到了5.86 W/m2，最大輻射亮度降低約90%，達到了抑制強紅外輻射源的目的；在兩級冷卻作用下，最大輻射亮度與平均輻射亮度基本相當，說明紅外抑制后水面沒有了明顯的紅外“亮點”。

為進一步證明內置噴淋裝置和小孔排氣的降溫作用，在水池中排氣管后的上方安裝了溫度傳感器陣列，共計3排，每排布置8個傳感器，具體位置如圖7所示。分別測量以下3種狀態下的水下溫度：

1）狀態1，打開內置噴淋系統，柴油機排氣經過噴淋和小孔兩級冷卻；

2）狀態2，關閉內置噴淋系統，僅通過小孔排氣進行紅外抑制；

3）狀態3，關閉內置噴淋系統，拆除小孔排氣管，將熱氣在水下直接排放。

圖7 溫度傳感器布置圖Fig.7 The location of temperature sensor

對比圖8中的3幅圖可以看出，雖然小孔是均勻排列的，但是很明顯，在狀態1和狀態2下，x，y，z序列傳感器的高溫都集中在排氣管的前段（靠近排氣口端）和中段，后段（遠離排氣口端）溫度通常較低。這是因為小孔排氣裝置在排放氣體時，大部分氣體從前段的小孔排放了出來，流經后段小孔的氣體較少。由圖8（a）可知，加裝小孔排氣和內置噴淋系統后，接近水面的溫度大幅降低，平均溫度約為28.6℃，已經接近于環境水溫27.3℃；在未內置噴淋系統的情況下，雖然溫度也大幅降低，但仍然比環境溫度約高5℃，故仍然可以在水面形成較為強烈的局部紅外輻射。當未采取任何紅外控制措施，高溫氣體直接從排氣管排出時，在水面附近形成了強烈的熱源，故在水面形成了強烈的紅外輻射，這與圖6（a）所示的紅外測量結果一致。

圖8 溫度傳感器的溫度圖Fig.8 Temperature diagram of temperature sensor

由圖8可知，無論哪種排放方式，高溫在局部區域都比較明顯，主要集中在前段部分，后段部分由于水流的摻混以及排放量較少，與環境水溫相差不大。由于水下測量環境復雜，不僅有水還有高溫氣體，故溫度傳感器的測量數據有波動。圖8所示的數據雖然不是特別準確，但仍可對紅外抑制措施進行定性分析，即相比水下廢氣直接排放方法，采用兩級冷卻排氣措施之后，水面紅外局部輻射大幅降低。

5 結 語

本文通過仿真，驗證了兩級冷卻的可行性，并確定了試驗參數。通過對比試驗，發現加裝紅外抑制裝置后，水槽內水面紅外輻射亮度最大可減少約90%，充分驗證了紅外抑制裝置的有效性。排氣管加裝紅外抑制裝置后，發現柴油機的背壓變化較小，說明小孔排氣裝置若設計合理，冷卻系統對柴油機背壓的影響將很小。但是小孔排氣設計也有不足之處，即大部分高溫氣體會通過小孔裝置的前段逸出，而后段小孔則少有氣體。為了充分利用小孔的空間，在后續的小孔設計中將增加小孔排氣裝置排氣均勻性的優化設計。該紅外抑制方法對于其他設備水下高溫排氣的紅外抑制亦有較好的借鑒意義。