低發射率材料涂敷方案對排氣系統紅外特性的影響

陳瀚賾，尚守堂，吉洪湖，鄧洪偉，盧浩浩

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

0 引言

航空發動機排氣系統紅外輻射是作戰飛行器紅外輻射的主要來源，其紅外輻射集中于3～5 μm波段和8～14 μm波段。降低這2個波段的紅外輻射強度對于提高飛行器生存力有著重要作用[1-2]。

航空發動機排氣系統紅外抑制技術分為結構隱身技術與材料隱身技術。結構隱身技術包括二元噴管[3-4]、S彎噴管[5]、高溫部件冷卻[6-8]等措施，需對發動機部件結構進行較大調整，會對氣動性能帶來一定影響，工程化應用難度較大；材料隱身技術主要是將低發射率材料涂敷在發動機排氣系統部件表面，通過降低發射率來抑制高溫部件紅外輻射強度，無需改變發動機結構，是一種易于工程化應用的發動機紅外抑制手段。孟雪等[9]對低發射率隱身涂層的性能優化進行了研究；王自榮等[10]對紅外隱身涂料的平均發射率進行了測試；崔杰[11]對低發射率材料在動力系統紅外隱身中的應用進行了研究；李艷紅等[12]對影響紅外隱身涂層發射率的主要因素進行了分析；陳俊等[13]采用臺架試驗進行了采用低發射率涂層的發動排氣系統紅外特征研究；黃偉等[14]針對發射率對發動機紅外輻射特性的影響規律進行了研究；劉小雨等[15]針對降低壁面發射率對渦扇發動機紅外輻射特性的影響進行了研究。在上述研究中，對發動機排氣系統低發射率材料涂敷方案的研究較少，可供參考的文獻也不多見。

本文建立了具有中心錐、波瓣混合器、火焰穩定器組件、軸對稱噴管的航空發動機排氣系統模型，擬定4種低發射率材料涂敷方案，將發射率分別設置為0.3與0.1，針對低發射率材料涂敷方案對發動機排氣系統紅外特性的影響進行數值仿真。

1 物理模型

發動機排氣系統的幾何模型如圖1所示。包括內涵進口截面、外涵進口截面、中心錐、波瓣混合器、火焰穩定器、傳焰槽、加力筒體與軸對稱噴管。由于內涵進口截面上游是高速旋轉的低壓渦輪部件，因此將內涵進口截面輻射特征近似等效為低壓渦輪部件輻射特征，以減少計算量和計算時間。

圖1 排氣系統幾何模型

由于發動機排氣系統模型結構對稱，為減小計算量，采用1/2模型進行計算。設定軸對稱噴管出口直徑為D，整個計算域長、寬分別為20D、8D，計算域形狀為1/2圓柱體，如圖2所示。

圖2 計算域設置

發動機排氣系統紅外輻射特性分2步計算：進行流場計算，獲取噴流的溫度場、壓力場、組分質量分數分布以及排氣系統腔體內部高溫固體壁面溫度的分布；再進行紅外輻射強度計算，獲得排氣系統的紅外輻射特性。

2 計算方法

2.1 流場計算

航空發動機后向排氣系統幾何結構非常復雜，故流場網格采用非結構化網格，在溫度梯度變化較大的排氣系統內流域與外流核心區進行網格加密。網格總數約為750萬，經網格無關性驗證，滿足要求。

流場計算使用3維流場仿真軟件，采用耦合隱式求解器，對連續方程、動量方程、能量方程采用1階迎風差分格式。湍流模型使用SST K-ω模型，并采用組分輸運模型與DO模型分別對燃氣組分與輻射對壁面傳熱影響進行計算。

內、外涵進口設置為壓力入口；外流域邊界設置為壓力出口。

2.2 紅外計算

在紅外輻射強度計算時，排氣系統壁面的網格均采用三角形的面網格，并將通過流場計算得到的固體壁面溫度場插值到三角形網格中，紅外計算網格如圖3所示。

圖3 紅外計算網格

紅外輻射計算采用反向蒙特卡洛法[16-18]，該方法計算結果與試驗數據誤差在10%以內[19]。所有未涂敷低發射率材料的固體壁面發射率設置為0.9，固體壁面類型為灰體壁面；計算波段為3~5 μm與8~14 μm波段；計算水平探測面0°~90°范圍內的紅外輻射強度，探測點間隔為5°，探測點布置方式如圖4所示。需要說明，本文的計算結果未考慮大氣的吸收。

圖4 紅外輻射計算探測點

3 材料涂敷方案

在發動機排氣系統中，內涵進口截面（代替末級渦輪葉片）、中心錐、火焰穩定器內圈和中圈與傳焰槽的溫度最高，紅外輻射強度也較大；火焰穩定器外圈、加力筒體及噴管由于與外涵冷氣直接接觸，自身溫度相對較低；波瓣混合器內壁面與高溫燃氣接觸，外壁面與外涵冷空氣接觸，溫度介于二者之間。

低發射率材料涂敷方案見表1。共擬定4種材料涂敷方案。方案1涂敷區域最大；方案2是在溫度較高的部位涂敷低發射率材料；方案3在除火焰穩定器與傳焰槽之外的部位涂敷低發射率材料；方案4在方案2的基礎上，又在噴管涂敷低發射率材料。

表1 不同涂覆方案涂覆位置

4 計算結果

4.1 低發射率材料對紅外輻射強度的影響

當發射率為0.3時，材料涂敷對排氣系統3～5 μm和8～14 μm波段紅外輻射強度的影響如圖5所示。縱坐標I/Imax表示相對紅外輻射強度，Imax為該部件幾種方案有效輻射強度的最大值。從圖5（a）中可見，對于3～5 μm波段，方案2與方案4的紅外抑制效果較為接近，效果最好。在探測角為0°～25°時，2個方案的紅外輻射強度均小于方案0（未涂敷低發射率材料的方案）的，在輻射強度最大值處，2種方案對紅外抑制效果為37%；在探測角為25°之后，方案4的紅外輻射強度略大于方案2的。方案1的涂敷區域最大，但其紅外抑制效果并非最優，在探測角為0°～15°時，方案1的紅外輻射強度小于方案0的，其對輻射強度最大值的抑制效果為32%；在探測角為15°以后，該方案的紅外輻射強度大于方案0的。方案3未在火焰穩定器與傳焰槽涂敷低發射率材料，在探測角為0°～15°內，其紅外抑制效果在幾種涂敷方案中最差，對紅外輻射強度最大值的抑制效果為21%。而在探測角為15°以后，其紅外輻射強度大于其它方案的。

圖5 低發射率材料對紅外輻射強度影響（發射率為0.3）

從圖5（b）中可見，對于8～14 μm波段，方案4的紅外抑制效果最優，在探測角為0°～90°時，紅外輻射強度均小于方案0的，其對最大值的抑制效果為25%。對于方案1，在探測角為23°～30°時，其紅外輻射強度略大于方案0的；在其余探測角度下，其紅外輻射強度均小于方案0的，該方案對輻射強度最大值的抑制效果為23%。對于方案2，在探測角為0°～25°時，其紅外輻射強度小于方案0的，在紅外輻射強度最大值處，其抑制效果為20%；在探測角為25°之后，方案2的紅外輻射強度與方案0的基本一致。對于方案3，在探測角為15°～35°時，其紅外輻射強度大于方案0的；在其余探測角時，其紅外輻射強度均小于方案0的，對紅外輻射最大值的抑制效果為15%。

在發射率為0.1時，材料涂敷對3～5 μm和8～14 μm波段紅外輻射強度的影響如圖6所示。從圖中可見，同一種材料涂敷方案在2種發射率下，其紅外輻射強度分布規律基本相同，在探測角為0°～25°時，隨著發射率的降低，各方案在2個波段范圍內的紅外抑制效果提高；在探測角為25°～90°時，方案1與方案3在2個波段的紅外輻射強度均有所增大。

圖6 低發射率材料對紅外輻射強度影響（發射率為0.1）

在3～5 μm與8～14 μm波段，發射率變化對不同涂敷方案紅外輻射強度最大值處的抑制效果見表2、3。從表中可見，降低發射率會進一步提升紅外輻射強度最大值處的抑制效果，且對3～5 μm波段的紅外抑制效果要優于8～14 μm波段的。

表2 3～5 μm波段紅外輻射強度最大值降幅%

表3 8～14 μm波段紅外輻射強度最大值降幅%

4.2 低發射率材料對部件紅外輻射強度的影響

固體部件的有效輻射強度還可進一步分為自身輻射強度和反射輻射強度，這2部分之和即為部件的有效輻射強度。前者是自身向外發射的紅外輻射能量，后者是外來入射輻射引起其向外反射的紅外輻射能量。低發射率材料（發射率為0.3）對加力筒體前段、加力筒體后段與噴管在3～5 μm波段的有效輻射強度、反射輻射強度與自身輻射強度的影響如圖7～9所示。

圖7 低發射率材料對加力筒體前段3～5 μm波段紅外輻射強度的影響

從圖7中可見，加力筒體前段紅外輻射影響探測范圍為5°～40°，有效輻射強度最大值在探測角為20°處，方案1與方案3在該部位涂敷低發射率材料，在探測角為5°～40°時，其有效輻射強度有所增大。從圖7（b）中可見，方案1與方案3的反射輻射強度占該部件有效輻射強度的90%以上。而對于未在該部位涂敷低發射率材料的幾種方案，其自身輻射強度占有效輻射強度的60%以上。

從圖8中可見，加力筒體后段紅外輻射強度影響探測范圍為10°～55°，影響范圍與加力筒體前段相比有所增加，其有效輻射強度最大值在探測角為35°處，在該部位涂敷低發射率材料，其變化規律與加力筒體前段的類似，其有效輻射強度在探測角為10°～55°時均有所增大。

圖8 低發射率材料對加力筒體后段3～5 μm波段紅外輻射強度的影響

從圖9中可見，噴管紅外輻射強度的影響探測范圍為0°～90°，其有效輻射強度最大值在探測角為50°處，在該部位涂敷低發射率材料，在3～5 μm波段，其有效輻射強度在探測角為0°～90°時均有所增大。

圖9 低發射率材料對噴管3～5 μm波段紅外輻射強度的影響

加力筒體前段、后段與噴管在8～14 μm波段的有效輻射強度如圖10～12所示。從圖10、11中可見，在8～14 μm波段，加力筒體前段、后段的有效輻射強度變化規律與3～5 μm波段的規律一致，隨著該部位發射率的降低，其有效輻射強度反而增大。

圖10 低發射率材料對加力筒體前段8～14 μm波段有效輻射強的度影響

圖11 低發射率材料對加力筒體后段8～14 μm波段有效輻射強度的影響

從圖12中可見，在8～14 μm波段，噴管的有效輻射強度變化規律與3～5 μm波段的規律相反，其有效輻射強度隨著發射率的降低而減小。

圖12 低發射率材料對噴管8～14 μm波段有效輻射強度的影響

5 結論

（1）在本文研究的4種低發射率材料涂敷方案中，綜合3～5 μm和8～14 μm波段的紅外抑制效果，在內涵進口截面、中心錐、火焰穩定器內圈、火焰穩定器中圈、傳焰槽、噴管涂敷低發射率材料的方案4為紅外抑制效果最優的方案。

（2）低發射率材料對3～5 μm波段的紅外抑制效果好于8～14 μm波段的。當發射率為0.3時，在3～5 μm和8～14 μm波段，紅外輻射強度最大值降幅分別為37%與25%；當發射率為0.1時，在3～5 μm和8～14 μm波段，紅外輻射強度最大值降幅分別為56%與37%。

（3）在本文研究條件下，在加力筒體前段、后段涂敷低發射率材料，在3～5 μm和8～14 μm波段，其反射輻射強度的增幅已經大于自身輻射強度的降幅，導致其有效輻射強度反而增大；而在噴管涂敷低發射率材料，在3～5 μm波段其有效輻射強度有所增大，在8～14 μm波段其反射輻射強度的增幅小于自身輻射強度的降幅，導致其有效輻射強度有所減小。