低發(fā)射率材料涂敷方案對排氣系統(tǒng)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(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射是作戰(zhàn)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(qiáng)度對于提高飛行器生存力有著重要作用[1-2]。

航空發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外抑制技術(shù)分為結(jié)構(gòu)隱身技術(shù)與材料隱身技術(shù)。結(jié)構(gòu)隱身技術(shù)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(fā)動機(jī)部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大調(diào)整，會對氣動性能帶來一定影響，工程化應(yīng)用難度較大；材料隱身技術(shù)主要是將低發(fā)射率材料涂敷在發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)部件表面，通過降低發(fā)射率來抑制高溫部件紅外輻射強(qiáng)度，無需改變發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，是一種易于工程化應(yīng)用的發(fā)動機(jī)紅外抑制手段。孟雪等[9]對低發(fā)射率隱身涂層的性能優(yōu)化進(jìn)行了研究；王自榮等[10]對紅外隱身涂料的平均發(fā)射率進(jìn)行了測試；崔杰[11]對低發(fā)射率材料在動力系統(tǒng)紅外隱身中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；李艷紅等[12]對影響紅外隱身涂層發(fā)射率的主要因素進(jìn)行了分析；陳俊等[13]采用臺架試驗進(jìn)行了采用低發(fā)射率涂層的發(fā)動排氣系統(tǒng)紅外特征研究；黃偉等[14]針對發(fā)射率對發(fā)動機(jī)紅外輻射特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究；劉小雨等[15]針對降低壁面發(fā)射率對渦扇發(fā)動機(jī)紅外輻射特性的影響進(jìn)行了研究。在上述研究中，對發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)低發(fā)射率材料涂敷方案的研究較少，可供參考的文獻(xiàn)也不多見。

本文建立了具有中心錐、波瓣混合器、火焰穩(wěn)定器組件、軸對稱噴管的航空發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)模型，擬定4種低發(fā)射率材料涂敷方案，將發(fā)射率分別設(shè)置為0.3與0.1，針對低發(fā)射率材料涂敷方案對發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外特性的影響進(jìn)行數(shù)值仿真。

1 物理模型

發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的幾何模型如圖1所示。包括內(nèi)涵進(jìn)口截面、外涵進(jìn)口截面、中心錐、波瓣混合器、火焰穩(wěn)定器、傳焰槽、加力筒體與軸對稱噴管。由于內(nèi)涵進(jìn)口截面上游是高速旋轉(zhuǎn)的低壓渦輪部件，因此將內(nèi)涵進(jìn)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(tǒng)幾何模型

由于發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)對稱，為減小計算量，采用1/2模型進(jìn)行計算。設(shè)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(shè)置

發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射特性分2步計算：進(jìn)行流場計算，獲取噴流的溫度場、壓力場、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布以及排氣系統(tǒng)腔體內(nèi)部高溫固體壁面溫度的分布；再進(jìn)行紅外輻射強(qiáng)度計算，獲得排氣系統(tǒng)的紅外輻射特性。

2 計算方法

2.1 流場計算

航空發(fā)動機(jī)后向排氣系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，故流場網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在溫度梯度變化較大的排氣系統(tǒng)內(nèi)流域與外流核心區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格總數(shù)約為750萬，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)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(xù)方程、動量方程、能量方程采用1階迎風(fēng)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?xì)饨M分與輻射對壁面?zhèn)鳠嵊绊戇M(jìn)行計算。

內(nèi)、外涵進(jìn)口設(shè)置為壓力入口；外流域邊界設(shè)置為壓力出口。

2.2 紅外計算

在紅外輻射強(qiáng)度計算時，排氣系統(tǒng)壁面的網(wǎng)格均采用三角形的面網(wǎng)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(wǎng)格中，紅外計算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 紅外計算網(wǎng)格

紅外輻射計算采用反向蒙特卡洛法[16-18]，該方法計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)誤差在10%以內(nèi)[19]。所有未涂敷低發(fā)射率材料的固體壁面發(fā)射率設(shè)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(nèi)的紅外輻射強(qiáng)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(jié)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(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)中，內(nèi)涵進(jìn)口截面（代替末級渦輪葉片）、中心錐、火焰穩(wěn)定器內(nèi)圈和中圈與傳焰槽的溫度最高，紅外輻射強(qiáng)度也較大；火焰穩(wěn)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(nèi)壁面與高溫燃?xì)饨佑|，外壁面與外涵冷空氣接觸，溫度介于二者之間。

低發(fā)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(qū)域最大；方案2是在溫度較高的部位涂敷低發(fā)射率材料；方案3在除火焰穩(wěn)定器與傳焰槽之外的部位涂敷低發(fā)射率材料；方案4在方案2的基礎(chǔ)上，又在噴管涂敷低發(fā)射率材料。

表1 不同涂覆方案涂覆位置

4 計算結(jié)果

4.1 低發(fā)射率材料對紅外輻射強(qiáng)度的影響

當(dāng)發(fā)射率為0.3時，材料涂敷對排氣系統(tǒng)3～5 μm和8～14 μm波段紅外輻射強(qiáng)度的影響如圖5所示?？v坐標(biāo)I/Imax表示相對紅外輻射強(qiáng)度，Imax為該部件幾種方案有效輻射強(qiáng)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(qiáng)度均小于方案0（未涂敷低發(fā)射率材料的方案）的，在輻射強(qiáng)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(qiáng)度略大于方案2的。方案1的涂敷區(qū)域最大，但其紅外抑制效果并非最優(yōu)，在探測角為0°～15°時，方案1的紅外輻射強(qiáng)度小于方案0的，其對輻射強(qiáng)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(qiáng)度大于方案0的。方案3未在火焰穩(wěn)定器與傳焰槽涂敷低發(fā)射率材料，在探測角為0°～15°內(nèi)，其紅外抑制效果在幾種涂敷方案中最差，對紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)度大于其它方案的。

圖5 低發(fā)射率材料對紅外輻射強(qiáng)度影響（發(fā)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(yōu)，在探測角為0°～90°時，紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)度略大于方案0的；在其余探測角度下，其紅外輻射強(qiáng)度均小于方案0的，該方案對輻射強(qiáng)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(qiáng)度小于方案0的，在紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度大于方案0的；在其余探測角時，其紅外輻射強(qiáng)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(fā)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(qiáng)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(fā)射率下，其紅外輻射強(qiáng)度分布規(guī)律基本相同，在探測角為0°～25°時，隨著發(fā)射率的降低，各方案在2個波段范圍內(nèi)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(qiáng)度均有所增大。

圖6 低發(fā)射率材料對紅外輻射強(qiáng)度影響（發(fā)射率為0.1）

在3～5 μm與8～14 μm波段，發(fā)射率變化對不同涂敷方案紅外輻射強(qiáng)度最大值處的抑制效果見表2、3。從表中可見，降低發(fā)射率會進(jìn)一步提升紅外輻射強(qiáng)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(yōu)于8～14 μm波段的。

表2 3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)度最大值降幅%

表3 8～14 μm波段紅外輻射強(qiáng)度最大值降幅%

4.2 低發(fā)射率材料對部件紅外輻射強(qiáng)度的影響

固體部件的有效輻射強(qiáng)度還可進(jìn)一步分為自身輻射強(qiáng)度和反射輻射強(qiáng)度，這2部分之和即為部件的有效輻射強(qiáng)度。前者是自身向外發(fā)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(fā)射率材料（發(fā)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(qiáng)度、反射輻射強(qiáng)度與自身輻射強(qiáng)度的影響如圖7～9所示。

圖7 低發(fā)射率材料對加力筒體前段3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)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(fā)射率材料，在探測角為5°～40°時，其有效輻射強(qiáng)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(qiáng)度占該部件有效輻射強(qiáng)度的90%以上。而對于未在該部位涂敷低發(fā)射率材料的幾種方案，其自身輻射強(qiáng)度占有效輻射強(qiáng)度的60%以上。

從圖8中可見，加力筒體后段紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)度最大值在探測角為35°處，在該部位涂敷低發(fā)射率材料，其變化規(guī)律與加力筒體前段的類似，其有效輻射強(qiáng)度在探測角為10°～55°時均有所增大。

圖8 低發(fā)射率材料對加力筒體后段3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)度的影響

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

圖9 低發(fā)射率材料對噴管3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度變化規(guī)律與3～5 μm波段的規(guī)律一致，隨著該部位發(fā)射率的降低，其有效輻射強(qiáng)度反而增大。

圖10 低發(fā)射率材料對加力筒體前段8～14 μm波段有效輻射強(qiáng)的度影響

圖11 低發(fā)射率材料對加力筒體后段8～14 μm波段有效輻射強(qiáng)度的影響

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

圖12 低發(fā)射率材料對噴管8～14 μm波段有效輻射強(qiáng)度的影響

5 結(jié)論

（1）在本文研究的4種低發(fā)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(nèi)涵進(jìn)口截面、中心錐、火焰穩(wěn)定器內(nèi)圈、火焰穩(wěn)定器中圈、傳焰槽、噴管涂敷低發(fā)射率材料的方案4為紅外抑制效果最優(yōu)的方案。

（2）低發(fā)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(dāng)發(fā)射率為0.3時，在3～5 μm和8～14 μm波段，紅外輻射強(qiáng)度最大值降幅分別為37%與25%；當(dāng)發(fā)射率為0.1時，在3～5 μm和8～14 μm波段，紅外輻射強(qiáng)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(fā)射率材料，在3～5 μm和8～14 μm波段，其反射輻射強(qiáng)度的增幅已經(jīng)大于自身輻射強(qiáng)度的降幅，導(dǎo)致其有效輻射強(qiáng)度反而增大；而在噴管涂敷低發(fā)射率材料，在3～5 μm波段其有效輻射強(qiáng)度有所增大，在8～14 μm波段其反射輻射強(qiáng)度的增幅小于自身輻射強(qiáng)度的降幅，導(dǎo)致其有效輻射強(qiáng)度有所減小。