黃章斌，管 留，李曉霞，馮云松

〈制導與對抗〉

噴管類型對飛行器排氣系統(tǒng)輻射特性的影響

黃章斌1，管 留1，李曉霞2,3，馮云松3

（1. 中國人民解放軍75842部隊，廣東 廣州 510000；2. 脈沖功率激光技術國家重點實驗室，電子工程學院，安徽 合肥 230037；3. 安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室，安徽 合肥 230037）

排氣系統(tǒng)是飛行器最主要的紅外輻射源，其噴管的形狀類型對排氣系統(tǒng)紅外輻射強度的大小及分布有很大影響。本文建立了3種不同類型噴管的三維模型，在此基礎上運用ANSYS軟件模擬了各自排氣系統(tǒng)的溫度場分布，結合Curtis-Godson（C-G）譜帶法對各類型噴管紅外輻射特性進行了計算與對比研究。結果表明：在出口面積相同的條件下，二元矩形S彎噴管的尾焰核心區(qū)域面積最小，約為軸對稱圓形噴管的60%；在矩形噴口的寬邊探測面上，二元矩形S彎噴管的紅外輻射強度最小。3類噴管中，二元矩形S彎噴管隱身性能最好，二元矩形噴管次之，軸對稱圓形噴管最差。

飛行器；尾噴管；尾焰；溫度場；紅外輻射

0 引言

隨著紅外探測與制導技術的迅猛發(fā)展，飛行器的生存受到嚴重威脅，數據顯示，在現代戰(zhàn)爭中，有75%～80%的戰(zhàn)損飛行器是被紅外制導武器擊落的。飛行器的主要紅外輻射源有蒙皮、尾噴管及尾焰，當飛行速度小于1.5時，整個排氣系統(tǒng)（尾噴管及尾焰）在3～5mm內的輻射占整個飛行器的90%以上。相比而言，飛行器的尾焰具有溫度高、組分構成穩(wěn)定、輻射面積大等特點，是紅外探測器對飛行器進行探測識別的最主要依據[1-5]，因此展開飛行器尾焰紅外輻射特征研究對提高飛行器的生存力具有重大意義。

國內外許多研究人員對飛行器尾焰的紅外輻射特性進行了計算，張海興[6]等人在考慮了譜線的碰撞展寬效應和多普勒效應的前提下，運用Curtis- Godson（C-G）近似法求得了噴口溫度為953K，噴口面積為0.272m2的圓形噴管飛機尾焰輻射亮度；未軍光[7]在考慮燃氣中H2O、CO2的光譜吸收與發(fā)射影響的情況下，采用離散傳遞法離散求解耗散-吸收性介質中輻射傳輸方程，計算了噴口溫度為800K，波長范圍為2.67～5mm的飛機排氣系統(tǒng)紅外輻射強度分布；馮云松[8]運用FLUENT6.3軟件對矩形噴管外三維流場進行了模擬，采用有限體積法求解了氣體介質中輻射傳輸方程，得到了噴口溫度為800K，寬高比為2的矩形噴管外尾焰紅外輻射光譜特性。

噴管出口的形狀設計可以使發(fā)動機噴流與冷卻氣流摻混更充分，有利于降低尾流溫度，縮短整個尾焰核心區(qū)的長度，從而減低尾焰的輻射強度。研究人員也在噴口形狀及其設計對排氣系統(tǒng)紅外輻射特性影響方面開展了深入研究。馮云松[9]運用FLUENT 6.3軟件研究了寬高比對矩形噴口尾焰紅外輻射特性的影響；高翔[10]采用CFD數值模擬技術研究了不同出口形式對S彎排氣系統(tǒng)紅外輻射特性的影響；劉常春[11]設計了一種雙S彎二元噴管，運用FLUENT軟件對其進行了數值模擬計算，并將其與相同條件下的軸對稱噴管的紅外輻射特性進行了比較。

噴管類型不僅影響著噴管的氣動性能，也在很大程度上影響著排氣系統(tǒng)的隱身效果[12]。從現有文獻來看[8-11]，很少有將各種樣式噴管及其排氣系統(tǒng)輻射特性同時進行數值模擬并進行對比分析的研究，因此有必要開展噴管類型對飛行器排氣系統(tǒng)輻射特性影響的系統(tǒng)研究。

為此，本文將運用CATIA V5-20軟件對3種常見飛行器尾噴管進行建模，然后運用ANSYS 14.5對對稱圓形噴管（Axisymmetric）、二元矩形噴管（Rectangle）以及二元矩形S彎噴管（S-pipeline）的尾焰溫度場進行模擬分析，并結合C-G譜帶法求出各溫度場的光譜輻射強度及排氣系統(tǒng)紅外輻射強度分布，以期為飛行器的紅外探測和紅外隱身相關工作提供參考。

1 研究對象

1.1 噴管的作用和類型

在渦扇發(fā)動機中，噴管的主要作用是使發(fā)動機排出的燃氣在其內部得到膨脹，并將氣體膨脹功轉換為動能，氣流從噴口處高速噴出，產生一個反作用推力推動飛行器前行。同時，可以通過改變噴管尾部的收縮擴張及管道喉部橫截面積可加快燃氣膨脹做功速率，提高發(fā)動機效率，增大飛行器推力。

根據噴管調節(jié)能力的不同，可將噴管分為收斂型和收擴型；根據噴管是否具有矢量推力能力，可分為矢量型和常規(guī)型；根據形狀的不同，又可分為軸對稱噴管、二元噴管、S彎型噴管、塞氏噴管等。

1.2 噴管物理模型

本文將以目前較為常見的軸對稱圓形噴管（Axisymmetric）、二元矩形噴管（Rectangle）以及二元矩形S彎噴管（S-pipeline）為例進行研究。運用CATIA V5-21軟件對噴管進行建模，如圖1所示，為避免噴口面積對流場的影響，在設計過程中始終保持3種類型噴管的噴口面積相等，其具體參數如表1所示。

圖1 建立的噴管物理模型

2 尾焰流場的數值模擬

以噴口中心為坐標原點，噴口面的軸向方向為軸，噴口面為平面，如圖2所示。

采用商業(yè)軟件ANSYS14.5對流場進行計算，湍流模型選用Transition SST(4 eqn)模型。假設燃氣完全燃燒，則噴口處氣體N2、CO2和H2O的質量百分含量為0.70，0.211，0.089；外場邊界及進口引射的氣體均為空氣，N2與O2的質量百分含量為0.76和0.24。設飛行器的飛行高度為6000m（大氣溫度為249.2K），飛行馬赫數為0.8。邊界條件：噴管入口為壓力入口，總溫度830K，壓強0.16MPa；長方體的幾個面為壓力出口，溫度為249.2K，壓強為41kPa。

表1 噴管參數

圖2 噴管建系示意圖

流場計算區(qū)域及其網格劃分情況如圖3所示。為了使尾流得到充分發(fā)展，應將流場計算區(qū)域設置足夠大，在軸方向的長度為50，在、軸方向的長度為20，其中為噴管進口直徑。網格劃分采用分區(qū)結構化方式，面網格為四邊形結構，體網格為六面體結構，在噴口處進行網格加密處理，網格總數為54.48萬左右。

圖3 計算區(qū)域網格劃分

圖4(a)、(b)、(c)分別為軸對稱圓形噴管、二元矩形噴管、二元S彎噴管尾焰溫度場分布。從圖中可以看出，軸對稱圓形噴管尾焰核心區(qū)域溫度最高，在830K左右，二元S彎噴管尾焰核心區(qū)域溫度最低，在800K左右；且二元S彎噴管尾焰的核心區(qū)域面積最小，軸對稱圓形噴管尾焰的核心區(qū)域面積最大。這是因為具有二元噴口的噴管會使出口邊界擴大，增加了周圍空氣與高溫燃氣的混合，從而降低了尾流的溫度，同時還能減少尾流中壓縮膨脹波的規(guī)則聚集，從而減小了尾焰中核心區(qū)域的面積。

圖4 不同類型噴管的尾焰溫度場

3 紅外輻射特性計算

3.1 尾焰紅外輻射強度計算

尾焰的氣體成分主要為CO2和H2O，輻射能量主要集中在2.7mm、4.3mm和6.3mm的輻射帶。根據尾焰氣體的特性，選用譜帶模型的C-G[13]近似法，將非均勻氣體的輻射近似為局部均勻氣體輻射的迭加。其計算思路是沿視線方向將尾焰分成等溫、等壓的若干層，計算出每一層的光譜透射率，然后根據輻射傳輸方程計算視線方向的總輻射亮度，最后對波數間隔求和得到輻射波段的輻射亮度。以噴口中心為坐標原點，噴口面的軸向方向為軸，建立圖5所示坐標系，將尾焰進行等溫等壓層劃分，主要計算步驟如下：

①將沿視線方向所截取的尾焰部分分為等溫、等壓的層，其溫度為T，壓強為P，每層的厚度為l（其中＝1,2,3,4,…）；

②確定尾焰氣體紅外發(fā)射帶的波數范圍；

③計算各氣體組分在每層中的光學厚度；

④計算CO2和H2O的光譜吸收系數；

⑤根據所得光學厚度和光譜吸收系數計算出每層的光譜透射率；

⑥由輻射傳輸方程求出每層的光譜輻射亮度；

⑦對層數和波數求和，求出波段內沿視線方向的輻射亮度。

圖5 尾焰劃分示意圖

⑧將尾焰沿著平行探測視線分成若干均勻小氣柱，根據氣柱內輻射亮度值與氣柱表面積即可得其輻射強度[14]。

3.2 噴管紅外輻射強度計算

在已知尾噴管溫度的條件下，噴管在1～2波段內的輻射強度為：

式中：N為噴管表面積；為觀察方向與尾流軸向方向夾角。

3.3 計算結果與分析

圖6為3種噴管尾流在平面上紅外輻射強度分布情況。軸對稱圓形噴管外尾流紅外輻射強度要遠大于二元矩形噴管、二元矩形S彎噴管外尾流紅外輻射強度，二元矩形噴管與二元矩形S彎噴管相差較?。粺o論何種噴管，其尾流紅外輻射強度都隨著探測角度的增加而增加。這是因為軸對稱圓形噴管外尾流核心區(qū)域面積最大，尾流高溫區(qū)域在探測點的投影面積也大，而二元矩形噴管、二元矩形S彎噴管均較小，且尾流在探測點處的投影面積隨著探測角度的增大而增大。

圖6 YOZ平面上三類噴管尾焰紅外輻射強度分布

圖7為3種噴管固體壁面所產生紅外輻射強度分布情況。3種類型噴管固體壁面在平面上產生的紅外輻射強度均在軸向方向上最大，且軸對稱圓形噴管與二元矩形噴管的最大值相等，均大于二元矩形S彎噴管；紅外輻射強度隨著探測角度的增大而減小，軸對稱圓形噴管變化緩慢，二元矩形噴管變化迅速。這是因為，S彎結構管道對于固體壁面的紅外輻射有一定的遮擋效果，使得壁面在探測點的投影面積相對較小，二元矩形噴管在平面上隨著探測角度的增大，其在探測點上的投影面積迅速減小，而軸對稱圓形噴管則減小得較為緩慢。

圖8為3類噴管排氣系統(tǒng)紅外輻射強度在YOZ平面上的分布情況。軸對稱圓形噴管的排氣系統(tǒng)紅外輻射強度要遠大于二元矩形噴管及二元矩形S彎噴管的排氣系統(tǒng)紅外輻射強度，隨著探測角度的增大，軸對稱圓形噴管的排氣系統(tǒng)紅外輻射強度先增大再減小，而二元矩形噴管與二元矩形S彎噴管的排氣系統(tǒng)紅外輻射強度均為先減小再增大，這取決于不同探測角度上噴管壁面紅外輻射強度與尾焰紅外輻射強度的變化情況。

4 結論

通過建模、數值計算得到了3種尾噴管排氣系統(tǒng)的紅外輻射特性，經分析得出以下結論：

①二元矩形噴管及二元矩形S彎噴管的尾流高溫核心區(qū)面積均較小。

②二元矩形噴管及二元矩形S彎噴管的尾流紅外輻射強度均遠小于軸對稱圓形噴管尾流紅外輻射強度。

圖7 YOZ平面上3類噴管壁面紅外輻射強度分布

圖8 YOZ平面上3類噴管排氣系統(tǒng)紅外輻射強度分布

③在二元矩形噴管寬邊探測平面內，只有尾流軸向方向上軸對稱圓形噴管與二元矩形噴管的壁面紅外輻射強度相等，而其他探測角度上軸對稱圓形噴管要遠大于二元矩形噴管和二元矩形S彎噴管。

④3種噴管中，整個排氣系統(tǒng)紅外輻射強度最大的是軸對稱圓形噴管，最小的是二元矩形S彎噴管，因此隱身性能最好的是二元矩形S彎噴管，二元矩形噴管次之，軸對稱圓形噴管最差。

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Numerical Simulation of Radiation Characteristics of Aircraft Exhaust Systems with Different Nozzles

HUANG Zhangbin1，GUAN Liu1，LI Xiaoxia2,3，FENG Yunsong3

(1.75842;2.,,230037,; 3.,230037,)

The exhaust system is the most important infrared radiation source of an aircraft, and the shape of the nozzle contributes to the infrared radiation characteristics of the exhaust system. Three types of 3D nozzles were built, and the temperature field of the plume was simulated using ANSYS14.5. Then, the spectral infrared radiation characteristics of the plume were obtained using the single band Curtis–Godson (C-G) approximation method. The results show that under the same exit area, the core area of the S-shaped nozzle plume is minimum and is approximately 60% of the axisymmetric circular nozzle plume; in the rectangular nozzle wide edge detection surface, the infrared radiation of the dual rectangular nozzle is minimum, and among the three types of nozzles, the stealthy performance of the two-element rectangular S curved nozzle is the best, the two-element rectangular nozzle takes the second place, and the axial symmetrical circular nozzle is the worst.

aircraft, nozzle, plume, temperature field, infrared radiation

TN219

A

1001-8891(2021)06-0587-05

2020-09-23；

2020-11-03.

黃章斌（1991-），男，湖南臨武人，助理工程師，碩士，主要從事光電對抗方面的研究工作。E-mail: 408867079@qq.com。

國家自然科學基金項目（61405248）。