王昭 王玲芳 孫豹

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.015

摘要：通過(guò)對(duì)噴氣式飛機(jī)尾焰流場(chǎng)特點(diǎn)的深入分析，繪制了尾焰的等溫線圖和各組分分壓圖。在深入對(duì)比和分析幾種紅外輻射計(jì)算方法后，確定選擇精度較高的模型逐線積分算法。同時(shí)對(duì)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)提供的光譜譜線參數(shù)進(jìn)行外推，得到在尾焰物理參數(shù)下的輻射計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到尾焰氣體的吸收參數(shù)和輻射參數(shù)。綜合得到的輻射參數(shù)，求解C-G譜帶模型所給出輻射傳輸方程。最終，計(jì)算得到某噴氣式飛機(jī)在非加力狀態(tài)下，1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段內(nèi)，沿特定視線方向上的尾焰紅外輻射。根據(jù)計(jì)算得到的輻射結(jié)果，利用圖形引擎OGRE仿真四波段的紅外圖像及添加大氣效應(yīng)后的變化。

關(guān)鍵詞：紅外輻射;尾焰;HITRAN;逐線積分法;粒子系統(tǒng);大氣效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TJ765.4+3;V235.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2018）06-0090-05[SQ0]

0引言

飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)噴射的高溫氣流即尾焰，在近紅外到長(zhǎng)波紅外范圍內(nèi)都可能存在較強(qiáng)的輻射，該紅外輻射為預(yù)警、監(jiān)視和跟蹤提供了明顯的探測(cè)特征。開(kāi)展尾焰紅外輻射特性研究的手段主要有數(shù)值模擬和實(shí)際測(cè)量[1]。尾焰輻射特性的計(jì)算研究較多的是火箭尾焰的計(jì)算，飛機(jī)尾焰的計(jì)算也采用了類似于計(jì)算液體火箭尾焰的方法進(jìn)行。尾焰輻射數(shù)值計(jì)算算法目前有熱流法[2]、有限體積法（FVM）[3]、離散坐標(biāo)法[4]、蒙特卡羅法[5]、C-G（CurtisGodson）近似法等。一般來(lái)說(shuō)，尾焰紅外特性的計(jì)算包括尾焰流場(chǎng)計(jì)算、尾焰輻射參數(shù)計(jì)算、輻射傳輸方程離散和求解等步驟[6]。

然而，上述方法中所使用的尾焰氣體的紅外參數(shù)大都來(lái)自于NASA提供的手冊(cè)[7]，該手冊(cè)覆蓋的溫度區(qū)間、光譜區(qū)間不全，光譜分辨率不高（多為25cm-1）。本文利用美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室建立的HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)采用置信度較高的逐線積分法（LBL）[8]提高了吸收系數(shù)和透過(guò)率的精度，并以此得到了1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段內(nèi)，不同觀測(cè)角度下尾焰輻射。

同時(shí)基于OGRE粒子系統(tǒng)完成了對(duì)四個(gè)波段下尾焰輻射圖像仿真，并利用可編程渲染管線仿真了紅外尾焰在添加大氣效應(yīng)后的變化。

1.3輻射傳輸方程的離散和求解

由于尾焰內(nèi)部是非均勻的高溫氣體，且內(nèi)部氣體在輻射傳輸時(shí)，受到外側(cè)氣體吸收的影響。尾焰輻射在計(jì)算時(shí)需被劃分成一個(gè)個(gè)氣體微元，對(duì)每個(gè)微元輻射求和后得到尾焰整體的輻射。尾焰輻射數(shù)值計(jì)算算法使用的是逐視線積分法[10]，逐視線積分法是在特定的視線方向上對(duì)尾焰氣體分層，每一層的氣體溫度和壓強(qiáng)呈均勻分布。在每一層利用輻射傳輸方程對(duì)光譜通過(guò)率進(jìn)行波數(shù)上的積分得到視線方向上的輻射亮度，是一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

在飛行馬赫速度1的條件下，距尾噴口3m處觀察，不同角度尾焰四個(gè)波段的輻射亮度計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

2紅外尾焰圖像仿真

粒子系統(tǒng)技術(shù)在三維渲染中能夠模擬物體的隨機(jī)性和不規(guī)則性，是模擬飛行器尾焰的理想選擇[17]。使用OGRE引擎，利用其GPU可編程渲染管線，模擬了飛機(jī)尾焰在考慮大氣效應(yīng)及成像系統(tǒng)噪聲下的效果。圖8分別為尾焰在四個(gè)波段下添加大氣效應(yīng)和噪聲的成像仿真結(jié)果。4.1～5.0μm波段飛機(jī)處在相同的方位角、觀測(cè)天頂角時(shí)，添加大氣效應(yīng)與否情況下的成像仿真結(jié)果如圖9所示。

3結(jié)論

對(duì)圓形尾噴管飛機(jī)尾焰的紅外輻射特征進(jìn)行了計(jì)算，基于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫轿惭娴牧鲌?chǎng)分布參數(shù)，并采用目前較為精確的逐線積分法得到尾焰中主要?dú)怏w分子的吸收系數(shù)。吸收系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與NASA所提供手冊(cè)上的結(jié)果非常接近，并且數(shù)據(jù)更加豐富。利用得到的大氣分子吸收系數(shù)結(jié)合逐視線積分法獲得了1.8～2.6μm，3.0～4.1μm，4.1～5.0μm，7.7～9.5μm波段內(nèi)的尾焰輻射亮度，并給出了基于粒子系統(tǒng)的紅外圖像仿真結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王東，白冰，張雷，等.某噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的中長(zhǎng)波紅外輻射分析和比較[J].紅外，2017（1）：18-22.

WangDong，BaiBing，ZhangLei，etal.AnalysisandComparisonofMiddleandLongWaveInfraredRadiantIntensityofJetEngineExhaustPlume[J].Infrared，2017（1）：18-22.（inChinese）

[2RoelandFVORobertS.FastandAccurate4and6StreamLinearizedDiscreteOrdinateRadiativeTransferModelsforOzoneProfileRetrieval[J].QuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，2002，75（2）：177-220.

[3]阮立明，齊宏，王圣剛，等.導(dǎo)彈尾噴焰目標(biāo)紅外特性的數(shù)值仿真[J].紅外與激光工程，2008（6）：959-962.

RuanLiming，QiHong，WangShenggang，etal.NumericalSimulationoftheInfraredCharacteristicofMissileExhanustPlume[J].InfraredandLaserEngineering，2008（6）：959-962.（inChinese）

[4]董士奎，于建國(guó)，李東輝，等.貼體坐標(biāo)系下離散坐標(biāo)法計(jì)算尾噴焰輻射特性[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（2）：159-162.DongShikui，YuJianguo，LiDonghui，etal.NumericalModelingofInfraredRadiationPropertiesofExhaustPlumebytheDiscreteOrdinatesMethodinBodyFittedCoordinates[J].JournalofUniversityofShanghaiforScienceandTechnology，2003（2）：159-162.（inChinese）

[5]帥永，董士奎，劉林華.高溫含粒子自由流紅外輻射特性的反向蒙特卡羅法模擬[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2005（2）：100-104.ShuaiYong，DongShikui，LiuLinhua.SimulationofInfraredRadiationCharacterisitcsofHighTemperatureFreeStreamFlowIncludingParticlesbyUsingBackwardMonteCarloMethod[J].JournalofInfraredandMillimeterWaves，2005（2）：100-104.（inChinese）

[6]張術(shù)坤，蔡靜.尾焰紅外輻射特性計(jì)算研究綜述[J].激光與紅外，2010（12）：1277-1282.

ZhangShukun，CaiJing.OverviewofExhaustPlumeInfraredRadiationSignaturesCalculation[J].Laser&Infrared，2010（12）：1277-1282.（inChinese）

[7]LudwigCB，MalkmusW，ReardonJE，etal.HandbookofInfraredRadiationfromCombustionGases[K].NASA，1973.

[8]YoungSJ.NonisothermalBandModelTheory[J].JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，1977，18（1）：1-28.

[9]張海興，張建奇，楊威，等.飛機(jī)紅外輻射的理論計(jì)算[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，24（1）：82-85.

ZhangHaixing，ZhangJianqi，YangWei，etal.TheoreticalCalculationoftheIRRadiationofanAeroplane[J].JournalofXidianUniversity，1997，24（1）：82-85.（inChinese）

[10]吳劍鋒，何廣軍，趙玉芹.飛機(jī)尾向的紅外輻射特性計(jì)算[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（6）：26-28.WuJianfeng，HeGuangjun，ZhaoYuqin.TheCalculationforStrengthofInfraredRadiationintheOppositeDirectionoftheAirplane[J].JournalofAirForceEngineeringUniversity：NaturalScienceEdition，2006（6）：26-28.（inChinese）

[11]馬千里，童中翔，張志波，等.基于窄譜帶模型的尾焰紅外輻射計(jì)算[J].紅外，2015，36（3）：39-44.MaQianli，TongZhongxiang，ZhangZhibo，etal.CalculationofExhaustPlumesInfraredRadiationBasedonNarrowBandModel[J].Infrared，2015，36（3）：39-44.（inChinese）

[12]MitselAA，F(xiàn)irsovKM.AFastLinebyLineMethod[J].JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，1995，54（3）：549-557.

[13LacisAA，OinasV.ADescriptionoftheCorrelatedkDistributionMethodforModelingNongrayGaseousAbsorption，ThermalEmission，andMultipleScatteringinVerticallyInhomogeneousAtmospheres[J].JournalofGeophysicalResearchAtmospheres，1991，96（D5）：9027-9064.

[14]TangKC，BrewsterMQ.AnalysisofMolecularGasRadiation：RealGasPropertyEffects[J].JournalofThermophysics&HeatTransfer，1971，13（4）：460-466.

[15]RothmanLS，GordonIE，BarberRJ，etal.HITEMP，theHighTemperatureMolecularSpectroscopicDatabase[J].JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer，2010，111（15）：2139-2150.

[16]GamacheRR，KennedyS，HawkinsR，etal.TotalInternalPartitionSumsforMoleculesintheTerrestrialAtmosphere[J].JournalofMolecularStructure，2000，517：407-425.

[17]劉凡，肖樹臣，沙俊名，等.基于Vega粒子系統(tǒng)的飛機(jī)尾焰紅外仿真[J].紅外技術(shù)，2011，33（10）：606-609.

LiuFan，XiaoShuchen，ShaJunming，etal.PlaneTailFlameIRSimulationBasedonVegaParticleSystem[J].InfraredTechnology，2011，33（10）：606-609.（inChinese）