（航空宇航推进理论与工程专业论文）飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe n e r g y & p o w e re n g i n e e r i n g i l llli i i ii llii i ii ii y 18113 5 1 、 r e s e a r c ho ni r s u p p r e s s a n t o fh o te x h a u s t w i t ht h ed i sc r e t ep a r t i c l e si nf l i g h t a 砀e s i si n a e r o s p a c ep r o p u l s i o nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g b y l ih u i h u i a d v i s e db y p r o f c h a n gh a i p i n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c ，2 0 0 9 导下，独立进 用的内容外， 。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：必垄 e l 期： 丝! 竺= 互= 2 l 0 l ， 蠢 战争中先敌发现、先 及发动机排出的高温 状态下离散颗粒抑制 发动机尾喷流红外辐射的影响因素和规律。应用f l u e n t 软件对飞行状态下热喷流流场进行了 计算，在此基础上，基于射线踪迹辐射传输计算方法，获得空间任意_ 点探测到的辐射强度。 本文计算并分析了飞行状态下各种参数对颗粒分布特性和热喷流红外辐射特征的影响规律。计 算结果表明，随着飞行速度的提高，气溶胶厚度变薄，抑制率降低，但并非呈线性变化。喷射 量越大，空间的离散颗粒浓度越大，抑制率越高。在同样喷射量的前提下，s i o z 和c 的红外抑 制率最高，飞行m a = o 8 时后向抑制率可达到8 0 左右。对于材料c ，当粒径为l # m 时抑制效 果最好。喷射速度和喷射角度对离散颗粒的分布及对热喷流的红外抑制效果影响都不明显。 为了对计算方法进行验证，本文建立了一套地面条件下的实验系统。在发动机尾喷流模型 实验台的基础上，加入气溶胶施放装置在尾喷流周围形成一层气溶胶遮蔽层。通过实验测量了 材料s i o ：和c 在后向0 。到9 0 。方向上喷射气溶胶前后的红外辐射，从而得到不同方位角上的 红外抑制效果。最后和数值计算的规律进行比较，从而验证了计算方法的可行性。 关键词：气溶胶，红外隐身，飞行状态，数值计算，实验验证 a i r e r a f l f r o m3 # mt o5 # ma n d 8 # m t o1 4 # m b a s e do nt h es t u d ya n di m p r o v e m e n to nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o dw er e s e a c ho nt h e i n f l u e n c i n g f a c t o r sa n dl a w so fa e r o s o lo b s c u r ei nf l i g h tt h r o u g ht h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n f i r s t ，t h es o f t w a r e f l u e n ti su s e dt ow o r ko u tt h ef l o wf i e l do ft h eh o te x h a u s tw i t hp a t i c l e s ，a n dt h e na m y - t r a c i n g 。m e t h o di sa p p l i e dt og a i nt h er a d i a t i o ni n t e n s i t yo fa n ys p o t si nt h es p a c e i nt h i sp a p e r , w e c a l c u l a t ea n da n a l y z es o m ec o n d i t i o n si nf l i g h to fv a r i o u sp a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o wu st h a t ，w i t h t h ei n c r e a s i n gi nf l i g h ts p e e d ，t h ea e r o s o lc l o u dg e t st h i n n e r , a n d s o ，t h es u p p r e s s i o nc a p a b i l i t yg e t s r e d u c e d ，b u tn o tl i n e a r l y a n di n c r e a s i n gt h ea m o u n to fs p r a y i n ga e r o s o lc a ne f f i c i e n t l ye n h a n c et h e s u p p r e s i o nc a p a b i l i t y w i mt h es a n es p r a y i n ga m o u n t ca n ds i 0 2a r ep r o v e dt ob eb e t t e r , w h o s e i n f r a e ds u p p r e s s i o nr a t ec a nb e 叩t o8 0 w h e nm a = 0 8i nf l i g h t f o rt h em a t e r i a lc ，w h e ni t s d i a m e t e ri sl # m ，t h es u p p r e s s i o nr a t ei st h eh i g h e s t o nc o m p a r i s i o n ，t h e s p r a y i n gs p e e da n da n g l e d o n ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ed i s c r e t ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o na n dt h ei n f r a r e ds u p p r e s i o n i no r d e rt ov a l i d a t et h ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，w ec a r r yo nas e r i a lo f e x p e r i m e n t so ng r o u n d a n a e r o s o lj e ts y s t e mi sd e s i g n e dt or e l e a s eal a y e ro fa e r o s o la r o u n dt h eh o te x h a u s to f e n g i n e i nt h e e x p e r i m e n t ，w em a i n l ym e a s u r et h ei n f r a e dr a d i a t i o nb e f o r ea n da f t e rt h ea e r o s o ls p r a y i n gf r o m0 。t o 9 0 。，h e r et h em a t e r i a l ss i 0 2a n dca r eu s e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o n t r a s t e dt ot h e c a l c u l a t i o no n e s ，a n dt h u st h ec m c u l a t i o nm e t h o dp r o v e st ob ef e a s i b l e k e y w o r d s ：a e r o s o l ，i r s u p p r e s s i o n ，f l i g h ts t a t e ，n u m e r i a lc a l c u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n 一 l r 第一章绪论 i i i 1 1 研究背景1 1 2 气溶胶红外隐身技术3 1 2 1 气溶胶隐身技术的原理3 1 2 2 气溶胶红外隐身技术研究现状。4 1 3 本文研究内容6 第二章含离散颗粒热喷流红外辐射计算理论及方法 2 1 含离散颗粒热喷流红外辐射计算方法7 2 2 含离散颗粒热喷流流场数值计算方法8 2 2 1 物理模型及网格划分一8 2 2 2 数值计算模型9 2 2 2 1 湍流模型的选择9 2 2 2 2 辐射模型的选择。1 0 2 2 2 3 组分模型的选择一1 1 2 2 2 4 两相流模型的选择1 1 2 2 3 边界条件及求解方法1 3 2 2 3 1 连续相边界条件1 3 2 2 3 2 离散相边界条件l3 2 2 3 3 连续相和离散相的耦合计算1 4 2 3 基于射线踪迹法的红外辐射传输计算方法1 5 2 3 。l 热辐射传输基本方程1 5 2 3 1 1 气体辐射传输方程1 5 2 3 1 2 热空腔和热喷流组合辐射1 8 2 3 2 透过率求解方法2 1 2 3 2 1 气体透过率计算2 l 2 3 2 2 离散颗粒群透过率计算2 3 2 4 本章小结2 4 第三章飞行状态下含离散颗粒热喷流红外辐射的数值研究。2 5 3 1 飞行状态下含离散颗粒热喷流流场中颗粒浓度分布规律2 5 3 1 1 飞行速度对离散颗粒分布的影响规律2 5 3 1 2 喷射量对离散颗粒分布的影响规律2 9 3 1 - 3 喷射速度对离散颗粒分布的影响规律3 0 3 1 4 喷射角度对离散颗粒分布的影响规律3 l i i i 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究 3 2 飞行状态下离散颗粒对尾喷流( 含热空腔) 红外辐射的影响规律3 2 3 2 1 飞行速度的影响规律3 2 3 2 2 离散颗粒材料的影响规律3 3 3 2 3 离散颗粒粒径的影响规律3 4 3 2 4 喷射量的影响规律。3 5 3 2 5 喷射速度的影响规律3 6 3 2 6 喷射角度的影响规律3 7 3 3 本章小结3 8 第四章地面条件下含离散颗粒热喷流红外辐射实验验证3 9 4 1 实验装置4 0 4 1 1 发动机尾喷口模型实验台4 0 4 1 2 气溶胶施放系统4 2 4 1 2 1 气溶胶生成装置4 2 4 1 2 2 喷粉环4 4 4 1 3 红外测试系统4 5 4 1 3 1 红外光谱仪的测量原理4 6 4 1 3 2 光阑孔的选取4 7 4 1 3 3 红外光谱仪的标定4 8 4 1 3 4 测量中的其它问题4 9 4 2 实验材料5 0 4 3 对比模型5 l 4 4 实验结果与分析5 2 4 4 1s i 0 2 8 0 5 实验结果与分析5 2 4 4 2h p 碳粉实验结果与分析5 7 4 5 误差分析6 0 4 6 本章小结6 0 第五章总结与展望 参考文献 致谢 6 1 ； 6 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文 1 v 7 0 l 一 2 2 3 图1 4 气溶胶抑制红外辐射示意图。4 图2 1 含离散颗粒热喷流的红外辐射计算流程图。7 图2 2 含离散颗粒热喷流的计算模型示意图8 图2 3 含离散颗粒热喷流计算网格。9 图2 4 “圆锥”喷射方式1 2 图2 5 含离散颗粒热喷流计算模型边界条件设置示意图1 3 图2 6 颗粒相的“r e f l e c t 边界条件1 4 图2 7 颗粒相的“e s c a p e ”边界条件一1 4 图2 8 相间耦合计算过程1 5 图2 9 辐射亮度示意图1 6 图2 1 0 微体的入射和山射辐射一1 6 图2 11 单元体间的辐射传递一18 图2 1 2 发动机热部件示意图一1 9 图2 1 3 热部件边界条件设置。1 9 图2 1 4 热空腔射线路径简图。1 9 图3 1y o z 面特征直线设置示意图2 5 图3 2m a = o 8 时y o z 面特征直线上温度分布曲线一2 6 图3 3m a = o 8 时y o z 面特征直线上浓度分布图一2 6 图3 4 不同飞行速度下速度场的计算结果2 7 图3 5 不同飞行速度下温度场及颗粒浓度场的计算结果2 7 图3 6 不同飞行速度下y o z 面上颗粒浓度分布一2 8 图3 7 不同喷射量一fy o z 面上颗粒浓度分布一2 9 图3 8 不同喷射速度下y o z 面上颗粒浓度分布3 0 图3 9 不同喷射角度下y o z 面上颗粒浓度分布一3 1 图3 1 0 探测方位角示意图一3 2 图3 1 1 不同飞行速度下辐射强度和抑制率随角度变化曲线3 3 图3 1 2 不同颗粒材料的抑制效果。3 4 v 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究 v i 图3 1 3 不同离散颗粒粒径的抑制效果3 5 图3 1 4 不同离散颗粒喷射量的抑制效果3 6 图3 1 5 不同离散颗粒喷射速度的抑制效果3 7 图3 1 6 不同离散颗粒喷射角度的抑制效果。3 8 图4 1 实验系统原理总图3 9 图4 2 发动机尾喷口模型实验管路4 0 图4 3 直喷管零件图4 1 图4 4 气溶胶施放系统图4 2 图4 5 气溶胶生成装置图4 3 图4 6 喷粉环实物图4 5 图4 7 喷粉环与喷管连接图4 5 图4 8 红外光谱仪4 5 图4 9m r l 0 0 系列f r l r 光谱仪的工作流程图4 6 图4 1 0 光谱仪探测角示意图一4 7 图4 1 l 光谱仪标定流程图4 8 图4 1 2 离散颗粒抑制热喷流红外效果实验系统。4 9 图4 1 3 部分材料在最佳粒径下的衰减系数分布图5 0 图4 1 4s i 0 2 8 0 5 颗粒的粒径分布图5 0 图4 1 5h p 国产碳粉的粒径分布图5 1 图4 1 6 计算模型示意图( 八分之一) 5 l 图4 1 7 与实验对比计算模型的边界条件设置示意图5 l 图4 1 8 后向5 0 喷射s i 0 2 前后的红外辐射亮度比较。5 2 图4 1 9 后向1 0 。喷射s i 0 2 前后的红外辐射亮度比较5 3 图4 2 0 后向1 5 0 喷射s i 0 2 前后的红外辐射亮度比较5 3 图4 2 1 后向2 0 0 喷射s i 0 2 前后的红外辐射亮度比较5 3 图4 2 2 后向5 5 。喷射s i 0 2 前后的红外辐射亮度比较5 3 图4 2 3 后向6 0 0 喷射s i 0 2 前后的红外辐射亮度比较5 4 图4 2 4 后向7 0 。喷射s i 0 2 前后的红外辐射亮度比较5 4 图4 2 5 探测角变化时气溶胶厚度示意图5 5 图4 2 6s i 0 2 8 0 5 材料实验和计算结果的辐射强度对比5 5 图4 2 7s i 0 2 8 0 5 材料实验和计算结果的抑制率对比5 5 图4 2 8 探测角度为5 0 时计算辐射亮度和实验值的比较5 6 1 瞎 。5 6 一5 6 一5 7 5 8 。5 8 5 8 图4 3 5 后向6 0 0 喷射h p 碳粉前后的红外辐射亮度比较5 8 图4 3 6 后向9 0 0 喷射h p 碳粉前后的红外辐射亮度比较5 9 图4 3 7h p 碳粉实验和计算结果的辐射强度对比5 9 图4 3 8h p 碳粉实验和计算结果的抑制率对比6 0 图5 1 螺旋一气动式给粉器工作原理6 4 图5 2 转盘刮板式给粉器原理示意图6 4 表2 1 水和二氧化碳的系数建议值表2 3 表3 1 改变飞行速度计算丁况表2 6 表3 2 改变喷射量计算t 况表2 9 表3 - 3 改变颗粒喷射速度计算工况表3 0 表3 4 改变喷射角度计算： 况表3 l 表3 5 不同飞行速度计算工况表3 2 表3 6 不同颗粒材料计算- t 况表3 3 表3 7 不同颗粒粒径计算工况表3 4 表3 8 不同颗粒喷射量计算- t 况表3 5 表3 9 不同颗粒喷射速度计算工况表3 6 表3 1 0 不同喷射角度计算工况表3 7 表4 1 转轴槽体积的测量4 3 表4 2 光阑孔角度对照表4 7 表4 3s i 0 2 实验工况表。5 2 表4 4h p 碳粉实验工况表5 7 v l i 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究 注释表 ( 若文中另有说明，则符号意义以文中说明为准) 英文字母 a n ，b n m i e 系数 c l ，c 2普朗克常数 c 衰减截面 h 辐射照度 i 辐射强度 j 源函数 k 衰减因子 l 物理光程 l 辐射亮度 m a马赫数 m 复折射率 质量浓度m n 粒子数密度 q体积流量 r 颗粒半径 r探测距离 s投影面积 t 光学深度 v体积 希腊字母 透过率 发射率 巾 场平面角 颗粒群散射相函数 口 球坐标方位角散射角 入辐射波长 0 立体角 p密度 口 衰减系数 x 尺度参数 盯 散射系数 ， 抑制率 下标 e 消光 p 颗粒相 l ， 光谱 一 ， 一 光电与红外制导武器的威胁。 而现代军事技术中凭借精确打击武器的强劲成长势头，已经达到了“目标只要被发现，就能被击 中，只要被击中，就能被摧毁”的水平。作战飞机在各类雷达、红外探测系统编织的“天罗地网” 中，生存条件日益恶劣与复杂。因此，降低飞机的红外辐射特性，减少红外导弹及红外探测系 统的威胁具有重要的意义。从2 0 世纪8 0 年代中期以来，红外隐身技术的重要性更是日益突出， 这主要表现在以下两个方面：( 1 ) 目前采用的探测系统中，红外占3 0 左右，红外探测不可 忽视。据统计，各国使用的精确制导武器中，6 0 是红外制导的【i 2 】。( 2 ) 在对空作战中，红 外制导导弹是飞机的主要威胁，在8 0 年代的几次空战中，红外导弹击落的飞机占被导弹击落的 飞机总数的7 0 8 0 【3 ，4 1 。因此，红外隐身技术在军事上的巨大潜力使许多国家垂涎不已，其 已成为各国军队竞相用于高科技装备上的重要技术，美国已将它作为“竞争战略”的基本要素， 现已有实用的隐身飞机装备部队，在隐身技术上处于明显的领先地位。 飞机作为红外系统可探测的目标，大体有三类主要辐射【5 l ： l 、飞机发动机热部件辐射。飞机上的可见热部件，如涡轮盘、整流锥、喷管简体，以及 尾喷1 3 这些部件中，以尾喷口以及喷管简体内壁的热辐射为最大。飞机发动机的尾喷管辐射是 第一代红外空空弹攻击的主要目标，大量的测试计算证明，尾喷管可视为发射率近于1 的灰体 全波长辐射。它遵守黑体热辐射定律，辐射的能量大小与t ( k ) 的四次方成正比。 2 、飞机蒙皮气动加热引起的辐射和飞机对日光等外界辐射的反射。飞机高速飞行，引起蒙 皮气动加热，蒙皮发热后也产生热辐射。蒙皮温度虽比喷口壁温低得多，但由于蒙皮的表面积 比喷口面积大l o 多倍，蒙皮在8 1 4 # m 波段内的辐射强度可以比喷口的辐射强度大得多。 3 、飞机尾焰辐射。燃气的成分中含有c 0 2 和h 2 0 等，都有相当大的辐射率和发射率。第 二代红外制导空空导弹追踪的主要是飞机发动机尾喷流的红外辐射【i 】，所以针对发动机尾喷流 的种种隐身技术受到了各军事强国的高度重视。 发动机热部件的红外辐射在非加力状态下起主导作用，其辐射范围在飞机的后半球，抑制 其红外辐射的技术一般有以下三种【6 】： ( 1 ) 壁面冷却技术 7 1 具体措施有两种：一是内冷，即利用来自发动机前部或外涵的较冷 气体冷却热壁面，如尾锥、整流支板及加力燃烧室的稳定器等；二是外冷，即利用飞发之间 的二次流冷却壁面，如采取增大来自飞机进气道的二次流流量、在飞机后机身增设冲压型进气 孔以及改用引射喷管等措施可以有效地对发动机排气系统绝热壁面进行气动冷却。 1 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究 ( 2 ) 机械遮挡技术【8 】目前f 一11 7 a 、b 2 和f - 2 2 等隐身飞机普遍使用的二元喷管就是这 种技术最典型的应用实例，其中图1 1 和1 2 分别为f 1 1 7 和f 2 2 飞机使用的二元喷管。这种 扁形喷管可以对其内部的排气系统热部件进行有效遮挡。 ( 3 ) 隐身材料技术发动机热部件表面涂覆耐高温的红外隐身涂层或热部件采用红外隐身 结构材料设计是很有发展潜力的红外隐身措施。据报道，美国己研制出将红外辐射减少到1 1 0 的涂层，具有红外隐身性能的结构型复合材料也已进入工程应用阶段。 譬警攀琴雾j 篆。霉灞 ，。i ，：j ! “j “，i 、- j ：j 二t “镬 图1 1f 1 1 7 使用的狭长二元喷管 图1 2f - 2 2 的二元喷管 发动机尾喷流是飞机的强辐射源之一，而且辐射强度随着发动机性能的不断提高而不断增 强。随着第二代、第三代导弹的服役( 这类导弹不再把喷口热壁作为跟踪目标，而仅以热喷流 作为跟踪目标) ，发动机尾喷流的红外隐身也成了研究的热门方向，目前其隐身技术可归纳为 以下三种方法： ( 1 ) 强化掺混技术通过强化尾喷流与外界空气的掺混，可以缩短尾喷流核心区的长度， 降低尾喷流温度，从而抑制尾喷流的红外辐射。早已得到应用的引射喷管、二元喷管以及目前 正在研究的出口带有小突片的喷管都体现了这种技术。还有采用菊花形混合器来强制涡扇发动 机内外涵气流的混合，也有助于尾喷流核心区的缩短和尾喷流温度的降低，从而减少尾喷流的 红外辐射吲。 ( 2 ) 添加剂技术国内外的研究表明，在燃油中加入含钠、钾等少量金属元素的添加剂等 不但可以减少炭颗粒的生成，还可以改变尾喷流红外辐射频带的峰值，从而避开红外探测器的 敏感波段。 气溶胶遮蔽 形成了一个 用，气溶胶 动机的推力 一 ，” ， 1 2 气溶胶红外隐身技术 1 2 1 气溶胶隐身技术的原理 图1 3b 5 2 h 施放气溶胶 的实 气溶胶是一种在气体中含有悬浮固体微粒或液体微滴的混合体。气溶胶对红外辐射的干扰 作用主要体现在微粒或专门制备的特殊材料的微粒对红外辐射产生吸收、散射，即微粒的消光 作用，削弱红外侦察和制导系统中红外热像仪接收信号的强度，使之无法成像。气溶胶对飞机 的红外抑制技术就是将微米或纳米级的固体粒子喷射在尾喷流的周围，由于受到空气浮力和湍 流的作用而悬浮在空气中，形成气溶胶遮蔽层，固体颗粒对飞行器尾喷流在特定波长下( 主要 集中在3 5 9 m 及8 , - - - , 1 4 1 x m 两个波段) 红外辐射起到衰减作用，使透过的光能量大大减少，光 电探测器因不能拾取足够的光辐射能量而失效，这样就达到隐身的效果y t t o 1 。 气溶胶的红外抑制作用基本原理如图1 4 所示，若目标的e 多 i - 辐射强度为i 。，经过厚度为 l 的气溶胶层后，使得探测到的目标辐射强度为i 。，则【1 2 】 i = i e k t “1 ( 1 1 ) 其中，k 是表征气溶胶颗粒系衰减特性即消光作用的量，主要包括吸收和散射两部分，i i l 是气溶胶中的固体颗粒浓度。 3 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究 i n f r a r e d a b s o r ba n ds c a t t e r t h r e a t e n i n g i n 岔a r e d o b s c u r i n ga e r o s o l s y 咀啦 图1 4 气溶胶抑制红外辐射示意图 1 2 2 气溶胶红外隐身技术研究现状 气溶胶隐身的概念，国外在上个世纪就已经提出了，并把它应用在飞机上，取得了良好的 效果。在6 0 年代，美国空军和约翰霍普金大学签约【i3 】开展在飞机后喷射烟云的方法来衰减红 外辐射；到七十年代末，美国鲍林空军基地与犹太州立大学及航天总公司的实验室合作【1 4 1 开展 用气溶胶吸收和散射热喷流的红外辐射研究，所用气溶胶材料为n 2 0 ，衰减喷流红外辐射约 1 0 ，后来，又采用碳粉作为气溶胶材料，结果表明，在相同的红外抑制量下，碳粉需要量远 小于n ：o 的量。八十年代，以色列航空工业部门研究在模型发动机尾喷流四周喷射碳粒，形成 气溶胶遮挡层 1 5 , 1 6 】，结果表明，气溶胶对尾喷口的红外抑制最高可达8 5 以上，也有在飞机等 目标受到威胁时喷出液态氮，形成环绕尾焰的冷却帘幕的构想。通过这些方法在尾焰周围形成 的气溶胶遮蔽层，可有效的遮挡或屏敝红外辐射。另外，气溶胶遮蔽红外辐射技术已经在国外 的武装直升机上得到广泛应用，例如美国研制并装备了m 2 5 9 型的用于飞机防护的抗红外烟幕 弹，该弹采用火箭发射，在距飞机3 2 m 处形成遮蔽3 5 p _ m 和8 1 4 9 m 的气溶胶红外烟幕，持 续时间为5 m i n ，宽度达数公里。瑞典研制装备的飞机防护烟幕施放系统是装在机身后侧，发射 后2 s 在距机后1 0 0 m 处形成烟幕障，该发烟剂为液体混合物。 国内也已经展开了红外烟雾的研究，并在坦克部队的烟雾干扰中有了实际应用。但国内气 溶胶红外遮蔽基础理论研究起步很晚，对机载气溶胶红外隐身技术的研究还停留在实验的基础 上。其中，聂传虹，韩无杰等【l7 l 对不同厚度的气溶胶红外抑制效果进行的测试研究表明，气溶 胶红外抑制量随着粒子浓度的增加而增大，在其实验条件下，抑制量可达9 1 。韩启祥，谈浩 元【1 8 】等建立了一套发动机尾喷口模型实验台及气溶胶施放系统，通过气溶胶施放系统在热喷流 四周形成环形气溶胶层，降低尾喷口向外的红外辐射。实验结果表明，气溶胶颗粒浓度越大， 4 。 i 。l。一c ， 他们还发现， 掺混，可提高 得了一定的进 段瑞伟，常海萍【1 9 】等提出了一种对比测量气溶胶材料消光特性的方法。把气溶胶材料分散 在某种溶剂中进行红外光谱对比测试，验证这种测试方法的可行性。并用这种方法比较多种气 溶胶材料的消光特性，从而筛选出两种消光特性相对较好的气溶胶材料。实验还初步研究了气 溶胶材料的粒径、浓度和光程等因素对消光特性的影响。 陈雄斌，常海萍【2 0 】等对红外抑制用气溶胶喷射系统进行了研究，从气力输送和气固两相流 动理论研究了气溶胶的生成方法、输送固体质量比和输送气流速度，分析了气溶胶的喷射方式 和喷射系统的几何结构，进行了一系列实验和计算。用实验方法研究影响粒子消光特性的几种 因素，包括粒子直径、质量浓度、环境湿度、粒子外部特征等。实验给出各种已制备气溶胶材 料的消光特性曲线，对实验结果进行了误差统计分析。 李丽，常海掣2 1 1 等对红外抑制用气溶胶环形喷流进行了简化数值研究，建立二维模型从气 固两相流动的理论研究了两相单喷嘴射流、环形多股喷嘴射流组的流场特性和外界气流及尾喷 流对气溶胶射流的影响，计算得到了两相单喷嘴射流扩张角的大小，分析了喷嘴间距、气溶胶 射流速度和外界气流速度对环形多股射流组的影响，最后提出了适合工程应用的喷嘴安装位置 和喷射方式。 幺东升，常海萍【2 2 】等针对均匀球形微粒，利用米理论编制微粒消光特性计算程序，计算出 粒子的消光效率因子和散射因子，并结合朗伯比耳定律计算出粒子的最佳粒径，讨论最佳粒径 下质量浓度与透射比的关系。最后根据某型发动机参数，估算出发动机尾喷流尾向以及侧向气 溶胶浓度分布，据此计算分析了气溶胶在发动机尾后和侧向的红外辐射遮蔽效果。 张净玉，王慧元 2 3 2 5 1 等对含离散颗粒热喷流红外传输数值计算方法开展了相关研究探索， 建立了一套获得不同探测点热喷流( 含离散相) 辐射强度的计算方法。计算方法依托f l u e n t 商 业软件，首先计算获得热喷流( 含离散相) 的流场及浓度场，在此基础上以大气红外辐射传输 计算方法为基础，同时考虑计算单元体内离散颗粒对入射能量的衰减，采用射线踪迹法编制计 算程序，求解不同探测点的辐射强度。该文献使用这种方法对缩比模型进行了计算，结果基本 符合实际规律。另外，还对影响离散颗粒红外抑制规律的因素进行了讨论，其中涉及的主要因 素有颗粒粒径、喷射浓度、喷射速度、颗粒导热系数等。 5 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究 张彦军，常海萍【2 6 】等对全尺寸尾喷管模型在不同气溶胶喷射方式下含离散热喷流流场进行 了数值计算，研究气溶胶喷射方式对离散颗粒在流场中分布特征的影响规律，结果发现气溶胶 的喷射量越大，颗粒在空间的浓度越高，而喷射角度和喷射速度对离散颗粒的分布影响都不大。 王京，常海萍口7 1 等分析讨论了颗粒粒径、材料和浓度对衰减系数的影响规律，得出了最佳 粒径的结论。提出了多分散颗粒材料粒径的选取方法和影响规律，为今后颗粒选材提供了研究 手段和参考依据。该文献还对气溶胶的喷射方式和颗粒材料的性质对尾喷流( 含热空腔) 红外 辐射抑制效果的影响作了相应分析和计算，计算结果表明颗粒材料、粒径以及气溶胶的喷射量 对红外抑制效果影响较大。 作为一种军用技术，其研究应该具有实战价值。气溶胶红外隐身主要是针对作战飞机在高 空飞行时的一种隐身技术，因此必须了解其飞行时的一些特性。但之前的研究主要是基于地面 条件的，而文献 2 2 2 6 】已初步发现，由于飞行时外界高速气流的作用，气溶胶粒子在空间的分 布和地面时差距比较大，但以上的研究并没有对飞行时的红外抑制效果进行具体分析和计算， 且前面的工作中也没有对含离散颗粒热喷流红外特征的计算方法进行验证。所以，本文开展在 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征计算，旨在为该技术在工程上的应用提供理论指导。 另外，为了对上述计算方法进行可行性验证，需要将计算结果和实验结果进行对比分析。在综 合考虑了各方面因素的前提下，建立一个地面条件下的实验系统，并与该系统相对应的理论计 算结果进行对比，从而实现对计算方法的验证。 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 深入了解含离散颗粒热喷流红外辐射特征的计算方法，并对基于射线踪迹法的红外传 输计算程序进行完善。 ( 2 ) 借助商业c f d 计算软件f l u e n t ，运用气一固两相流的基本理论，对飞行状态下含 离散颗粒热喷流的流场进行数值计算，得到较为合理的速度场、温度场以及离散颗粒浓度场等， 为后面的红外辐射计算做准备。在此过程中，控制气溶胶喷射量、喷射速度以及飞行马赫数等 参数，分析在这些情况下气溶胶颗粒在流场中的分布规律。 ( 3 ) 用基于射线踪迹法的红外辐射计算程序，对含离散颗粒热喷流红外辐射进行计算，得 到不同离散颗粒材料、粒径、喷射质量、喷射速度等参数下的红外辐射特性，总结离散颗粒对 热喷流红外特征的抑制规律。 ( 4 ) 在已有的发动机尾喷流模型实验台上设计一套气溶胶喷射装置，进行地面状态下气溶 胶红外隐身实验。选取两种颗粒材料，利用红外光谱仪测量喷射气溶胶前后的红外辐射强度， 得到这两种材料在后向o o 到9 0 0 测试范围内的红外抑制效果。并将计算结果和实验结果进行对 比，验证本文计算方法的可行性。 6 t ， 2 1 含离散颗粒热喷流红外辐射计算方法 论及方法 本文的计算方法如图2 1 所示。分为以下两部分： ( 1 ) 含离散颗粒热喷流流场的数值计算。主要采用c f d 软件进行数值模拟，旨在得到不 同条件下的热喷流温度场、组分浓度场以及离散颗粒的分布特征，为后面的红外辐射传输计算 提供接口数据。 ( 2 ) 红外辐射传输计算。主要采用基于射线踪迹法的红外辐射传输计算程序，在气体辐射 传输的基础上，加入离散颗粒的作用，计算得到喷射气溶胶前后尾喷流( 含热空腔) 的红外辐 射强度，从而获得气溶胶的红外抑制效果。 以下分别对这两个部分的计算原理及方法进行详细阐述。 g a m b i t 建模，绘制计算 网格 f l u n t 设置边界条件 计算模型等，进 行数值计算 导出流场、温度 场、浓度场 调用射线与网格ll 调用辐射计算模 求交模块，求得b 块，沿射线由远 射线经过的相交r 岬l 端开始计算射线 体 ll 上的辐射传输 根据探测点以及 探测方向利用坐 标变换，产生探 测射线 读入f l u e n t 计算 流场数据 整合所有射线计 算结果，获得探 测点的辐射强度 图2 1 含离散颗粒热喷流的红外辐射计算流程图 7 飞行状态下含离散颗粒热喷流的红外特征研究 2 2 含离散颗粒热喷流流场数值计算方法 2 2 1 物理模型及网格划分 含离散颗粒热喷流的计算模型由一段直喷管和喷管外的计算域构成( 如图2 2 ) 。其中直喷 管长o 5 m ，直径1 0 7 6 m ，热喷流从中喷出。外场计算域为一与喷管同心的圆柱体，圆柱体直 径8 m ，长2 8 m 。环绕喷管出口周向均匀布置了7 2 个喷口，作为离散颗粒的喷入口。 图2 2 含离散颗粒热喷流的计算模型示意图 囊- t t 囊m 蘸域嚣 由于模型的对称性，本文取八分之一的模型进行网格划分和数值计算。在热喷流和外界气 流的混合处网格要进行加密，而沿轴向( z 向) 和径向( y 向) 网格间距逐渐增大，网格主要采 用六面体网格，在轴线尖角处使用三棱柱网格( 如图2 3 ) 。 胡 8 a ) 含离散颗粒热喷流计算模型网格总体示意图 y 向 _ z 向 b ) y o z 面网格示意图c ) 横截面网格示意图 图2 3 含离散颗粒热喷流计算网格 2 2 2 数值计算模型 含离散颗粒热喷流流场的数值计算涉及到两相流模型、组分模型、辐射模型等特殊的模型 设置，因此在用f l u e n t 软件进行计算时，需要综合考虑这些条件的设定，力求逼近最真实的 物理模型。 2 2 2 1 湍流模型的选择 因为湍流现象是高度复杂的，所以至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问题 中的湍流现象进行模拟。在涉及湍流的计算中，都要对湍流模型的模拟能力以及计算所需系统 资源进行综合考虑后，再选择合适的湍流模型进行模拟。基于r e y n o l d s 时均方程的双方程模型 k - - e 和k 一6 0 模型是目前应用最多的湍流模型。 标