柴油機水下排氣紅外抑制仿真研究

唐斯密，徐 飛，陳中偉

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

潛艇的隱蔽性是其生命力的保障，綜合隱身性能是評價潛艇戰斗力的最重要因素。潛艇在通氣管航態下需要浮出水面進行充電，而此時柴油機排氣口距離水面位置近，排氣溫度高、流量大，極易在海面形成大范圍溫度差而被紅外探測裝備偵察到[1–2]。

針對此問題，國外潛艇均采取了措施控制排氣溫度以減小其紅外特征，我國的科研工作者也在此方面展開了大量的理論分析和試驗研究。王小川[3]系統地分析了國內外在潛艇通氣管航態的隱身措施，利用一維流體系統仿真軟件Flowmaster設計了排氣系統；賀國[4]針對AIP系統噴淋冷卻建立了傳熱模型，并進行了實驗驗證；袁江濤[5–6]對柴油機排氣管內的噴淋方式進行了仿真，研究了順向和逆向噴淋的效果；孟清正等[7]分析比較了船用柴油機的各種排氣方式后，提出了軍用高速艇柴油機水下排氣方式，并通過實驗驗證了高速艇水下排氣可行性；李四娣[8]提出的負壓區排氣技術，利用潛艇指揮臺圍殼附近流場的水動力效應所形成的“負壓區”布置柴油機通氣管排氣口，并在同一類型艇上進行了新舊2種排氣口（負壓區排氣口和原鴨嘴型排氣口）的對比試驗，結果證明了“負壓區”排氣不僅能降低阻力損失，還能更進一步降低排氣溫度。

但是這些研究局限于排氣總管內的噴淋降溫或者排氣口外部的強制摻混，沒有充分考慮兩者的串聯關系，且多缺乏實際考慮，比如柴油機排氣管流量大、溫度高，所需噴淋的水流量也較大，此情況下的液體霧化效果較差，粒子直徑通常較大而難以蒸發，試驗中難以達到理想效果?；诖?，本文提出一種兩級降溫方案：1）在排氣總管內置噴淋系統，初步降低排氣的溫度；2）在排氣管末端加裝一個小孔排氣裝置，將傳統方案的大氣泡變為小氣泡，增加氣體與海水的熱交換，進一步減小海水的表面溫差。利用CFD方法建立了柴油機排氣兩相流模型，對噴淋系統以及小孔排氣系統進行仿真分析。

1 柴油機水下排氣降溫模型

1.1 Realizable k-ε湍流模型

標準k-ε湍流模型是最古老的且使用最廣泛的湍流模型。Realizable k-ε和標準k-ε模型相比，采用新的計算湍流粘性的公式和新的計算耗散率ε的輸運公式。Realizable k-ε湍流模型的控制方程為：

連續方程

動量方程

能量方程

湍動能k的輸運方程

湍動能耗散率ε的輸運方程

湍流模型的模型常數為：

Realizable k-ε湍流模型的Realizable，是指該模型滿足雷諾應力的一些數學限制，和現實物理現象中的湍流相容。該模型與標準k-ε模型和RNG k-ε模型相比，能夠更準確地模擬湍流的擴散，同時在模擬包含旋流、邊界層和強逆壓梯度下的分離流、回流方面，表現出較好的精度。

1.2 液滴蒸發理論

水滴和煙氣的傳熱傳質關系十分復雜，一方面由于水滴溫度的升高，導致水滴與環境燃氣的溫差減少，從而會消弱燃氣與水滴之間的傳熱；其次，隨著水滴溫度的升高，水滴表面的蒸發過程加速，蒸發過程中水滴所吸收的蒸發潛熱也不斷增多。此外，隨著水滴總的蒸發量的增加，煙氣中水蒸汽的含量增加，煙氣會逐漸趨于飽和，水滴的蒸發速度會降低。因此，水滴達到某一溫度，其所得的熱量恰好等于蒸發所需的熱量，于是水滴溫度不再改變，蒸發處于一種平衡狀態，水滴在這一溫度下繼續蒸發直到汽化完畢或煙氣中水蒸汽處于飽和狀態。

在高溫下的水滴蒸發如圖1所示。Rs為任意時刻水滴的半徑，Ts為水滴表面的溫度，T為介質溫度。

根據蒸發理論，有公式：

圖 1 柴油機水下排氣模型Fig. 1 The model of diesel exhaust under water

總的說來，水滴在高溫環境中的蒸發時間隨水滴直徑增大而增大，隨水滴與環境相對速度增加而減小，隨環境溫度增加而減小。蒸發時間與水滴直徑的平方近似地成正比。相同水滴和環境溫度的條件下，蒸發時間隨著水滴與環境相對速度的增加而減小，近似地與Re的n次方成正比。

1.3 液體噴霧理論

離心噴嘴屬于壓力霧化噴嘴中的一種。主要有單油路離心噴嘴和雙油路離心噴嘴2種結構。雙油路離心噴嘴相比于單油路噴嘴擴大了工作范圍。進入離心噴嘴的液體做切向運動，由于離心運動建立了空心渦，在噴嘴出口，旋轉的液體同時有軸向速度和切向速度，形成空心油膜，油膜失穩形成液霧。

離心噴嘴的設計過程是一個純粹的流體力學計算過程。離心噴嘴設計中，關心的是在給定噴嘴壓力降下，要求一定的液體流量、噴霧張角和霧化顆粒細度。

離心噴嘴的噴口是環形的，液體在噴嘴內是做旋轉運動，導致噴口在噴嘴出口的地方形成錐形油膜后失穩破碎形成錐形空心液霧。盡管離心噴嘴的結構很簡單，但是其中的各種物理過程卻很復雜。影響霧化的主要因素，一是液體物性，如表面張力和粘性系數，二是液體工況，如液體流量和液體壓力。

2 柴油機水下排氣紅外抑制優化設計

柴油機排氣的物理模型為：直徑為100 mm噴管，氣體流速為10 m/s、溫度為350 ℃高溫氣體（本研究把燃氣近似為空氣處理），噴管放置于水面以下0.5 m處，水流速度0.1 m/s，水溫為常溫27 ℃，水流方向與噴氣方向一致。同數值模擬預測水面溫度分布見圖1。為保證氣體的冷卻效果最優，設計了兩級降溫措施：

1）在排氣管內部設置噴淋系統，充分利用水霧的汽化潛熱首先吸收排氣管內部的高溫氣體；

2）在排氣管的末端設置了小孔排氣裝置，利用小孔將大團熱氣打散后排出，增加了氣體與環境海水的交換效率，利用海水吸收大量熱氣，使得最終浮出水面的氣體溫度大大降低。

技術途徑如下：

1）首先建立排氣管內部噴淋的模型，以噴射水霧的汽化潛熱效應最大化為目標，通過對比不同水流、水霧直徑等參數，得到噴頭參數設置；

2）然后建立小孔排氣模型，以“濕氣+水”作為輸入量，通過條件不同的排氣口直徑、數量和排列方式，已浮出水面氣體的溫度為設計指標，得到小孔排氣參數設置。

本模擬過程對噴嘴流量從0.01～0.03 kg/s變化噴霧平均粒徑為50 μm的工況進行模擬，表1為出口面平均溫度的變化。

表 1 不同流量和噴射粒子下的出口溫度Tab. 1 The outlet temperature with different outflow and particle diameter

實際噴霧過程中，霧化顆粒大小不同，平均粒徑50 μm，霧滴在煙道內的運動軌跡也不一致，呈現出一定分布。在一定的噴射條件下，不同粒徑霧滴在流場中的運動軌跡差別較大，還存在重力的影響。以噴嘴流量0.03 kg/s為例，其排氣管末端溫度分布、中心軸溫度分布和排氣管末端水體積分布如圖2～圖4所示。

圖3為噴管中心線上溫度沿著軸向的分布?？梢?，煙道內噴霧后，在水霧噴射點附近，氣相溫度急劇下降，之后溫度沿煙道軸線繼續緩慢降低。

圖 2 排氣管末端上溫度分布Fig. 2 The temperature distributing of exhaust pipe end

圖 3 軸線上溫度分布Fig. 3 The temperature distributing with the axes

圖 4 出口截面上水的體積分數分布Fig. 4 The water volume fractional distributing on the end of outlet

圖4為出口截面上水的體積分數分布，可以看出煙道的底部有少量積水存在。這是由于噴霧質量較大情況下，氣流濕度達到約100%情況下，液滴不再蒸發情況下，且由于重力的原因出現的現象。當然，由于液滴的跟隨性、液滴在管道內停留時間及氣體相對濕度的原因，存在部分液滴未完全蒸發從而從出口逃逸的現象。

對圓柱形管道上開孔進行結構設計，上面均勻布置3 000個直徑2 mm的圓孔。

圖5和圖6分別為t=28.383 4 s，整體排氣、冷卻過程趨于平穩，中心剖面水的體積分數分布溫度分布。

圖 5 對稱面上水的體積分數分布圖（t=28.383 4 s）Fig. 5 The water volume fractional distributing on symmetry section (t=28.384 s)

可以看出，整個流場內存在大量動態變化的水花和氣泡。從噴氣管噴出的氣流，存在大氣泡不規律地脫離并上浮到水面，這時水平面上的溫度比高溫氣流初始溫度稍低，達到約310 K。

圖 6 對稱面上溫度分布圖（t=28.3834 s）Fig. 6 The temperature distributing on symmetry section(t=28.384 s)

圖 7 水平面最高溫度隨時間變化曲線Fig. 7 The highest temperature record with time

圖7為水平面上最高溫度隨時間變化曲線，可以看出高溫氣流最高溫度約為310 K，且水面最高溫度在300～310 K之間波動。溫度存在較大波動，同樣是由于氣體、蒸汽和水的摻混和流動存在波動的原因。濕氣從小孔管道流出并上浮到水面的過程，與管內兩相流流動的泡狀流油相似之處，氣泡破碎、合并、忽大忽小，存在較大波動。當小氣泡出現時，其與水在單位體積內存在較大的接觸面積，因而傳熱較充分，上浮到水面上時溫度較低。反之，當大氣泡從噴口脫落出現時，其與水在單位體積內存在較小的接觸面積，因而上浮過程中傳熱不夠充分，上浮到水面上時溫度較高。因此，水平面最高溫度隨時間變化，且存在較大波動。

通過以上模擬過程可以較為清晰地看出，當高溫排氣受到內置噴淋和末端小孔排氣共同作用時，其冷卻效果大大提高，浮升至水面的熱氣基本與環境融為一體，達到了良好的降溫效果。

3 結 語

潛艇的水下熱排放是暴露其紅外特征的重要因素，本文提出的內置噴淋+末端小孔排氣方式對高溫排氣管進行冷卻，通過建模并仿真計算，表明本文提出的降溫方案有效，可以將排氣管內的高溫氣體降低至常溫左右，大大降低了水面尾跡的紅外輻射強度，是一種對潛艇紅外尾跡有效控制的手段。