排氣百葉窗對紅外信號傳輸影響的機理分析

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

現代戰爭中，紅外末端精確制導以艦船的紅外輻射特征為探測目標，具有抗干擾能力強、難以攔截等特點，是艦船面臨的重要威脅[1-2]。因此，紅外隱身對于艦船戰場生存能力至關重要[3-5]。煙囪部位是艦船主要的紅外輻射亮點，是紅外隱身關注的重點[6-7]。煙囪排氣百葉窗的主要作用是為煙囪引射冷卻空氣提供流道，冷卻空氣與主流高溫排氣的摻混，降低其溫度和紅外輻射。有學者通過數值計算和實驗的方法研究百葉窗安裝位置及大小、葉片傾角以及開度等對引射冷卻的影響[8]。若設計不得當，百葉窗葉片間的間隙可能造成紅外信號的外泄，對紅外隱身不利。隨著煙囪整體紅外隱身設計水平的提升[9-11]，百葉窗區域紅外輻射問題逐漸凸顯，目前這方面的研究較少，難以支撐百葉窗紅外隱身的設計。為此，利用幾何光學的方法，建立煙囪紅外輻射傳輸模型，分析排氣百葉窗漫反射-出射過程，初步探索排氣百葉窗對紅外信號傳輸的影響，以期為百葉窗紅外隱身的設計與改進提供依據。

1 原理及方法

艦船動力裝置煙囪排氣引射百葉窗為平行葉片結構，相鄰葉片之間存在一定的重疊，可以遮擋內部高溫部件產生的紅外輻射通過直接透射的方式向遠處傳播，但是紅外線仍然可以通過漫反射的方式向外傳播，造成紅外信號的泄漏，見圖1。

圖1 紅外線“透過”百葉窗的傳輸光路原理

百葉窗的表面可認為是灰體表面，可吸收或者反射紅外線，將表面的吸收率α表示為[12]

α=1-ρ=1-ε

式中：ρ為反射率，ε為發射率。

由百葉窗A向A′的投射輻射力為

(1)

穿過百葉窗間隙的紅外線的輻射力J′可以由下式來表示：

(2)

使用“數學粒子追蹤”通過離散傳遞法來模擬輻射傳輸。煙囪內部高溫部件產生的紅外輻射通過向后射線追蹤的方式來模擬，代表射線的粒子以恒定速度從輻射源的表面射出，其分布方式為在速度空間半球內均勻釋放，每條射線的輻照度Hij滿足

(3)

式中:Eb為黑體輻射功率；θ為初始粒子速度矢量與面法向之間的銳角；dθ為每條射線所對的立體角，對于網格單元i，其輻照度為

(4)

式中：N為網格單元i釋放的射線數。

射線遇到壁面后，根據壁面的性質，發生“粒子凍結”、“粒子漫反射”等。百葉窗葉片為“漫反射”邊界。最后，統計通過百葉窗后被接收到的粒子數量就可以得到紅外信號通過百葉窗向外傳播的能量。

2 仿真模型

2.1 仿真方法及流程

為開展紅外輻射亮點機理分析，首先需要得到煙囪傳熱傳質過程中的流場、溫度場分布。本文綜合運用ANSYS Fluent商用CFD仿真軟件以及COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件進行仿真計算分析。其中，ANSYS Fluent由于其內置算法簡單、計算內存消耗小、計算空間大等獨特優勢，將承擔開放空間計算任務；而后將ANSYS Fluent中計算得到的關鍵數據導入到COMSOL Multiphysics中做進一步模擬驗證，并為后續紅外亮點機理分析的仿真計算獲取基本輸入數據。具體步驟如下。

第一步，采用ANSYS Fluent，選取煙囪及煙囪外部三倍大小的區域作為仿真計算域，進行大空間中傳熱傳質過程分析；

第二步，根據ANSYS Fluent商用CFD軟件的計算結果，將格柵位置處的流場數據帶入COMSOL Multiphysics中作為邊界條件，以此對煙囪內部的煙氣濃度和溫度場進行模擬分析，并與ANSYS Fluent的計算結果進行對比分析。

第三步，提取COMSOL模擬計算傳熱傳質環節中所得到的格柵表面溫度，導入紅外仿真模型中，對兩種排氣引射格柵的自發紅外輻射進行模擬計算。

第四步，提取COMSOL模擬計算傳熱傳質環節中所得到的排氣管道以及煙氣外輪廓的溫度場數據，導入紅外仿真模型中，以此作為紅外輻射熱源，對“漫反射-出射”所導致煙囪內部高溫部件及煙氣的紅外輻射信號外泄現象進行模擬仿真。

利用COMSOL Multiphysics“幾何光學”、“數學粒子追蹤”和“流體傳熱”三個模塊，進行紅外輻射仿真。

2.2 幾何模型

根據典型艦船煙囪結構的主要特點，對實際艦船煙囪進行簡化，得到如圖2所示的煙囪幾何模型，煙囪左右兩側布置排氣引射格柵。排氣引射格柵外形及尺寸根據典型艦船常用的排氣引射格柵選取。假定煙氣初速為20 m/s，煙氣初始溫度T0=400 ℃。

圖2 排氣引射格柵分布及煙囪模型(單位為mm)

三維模型見圖 3。圖3中邊界1是指紅外輻射源，即煙囪內部高溫組件以及煙氣的輻射表面。邊界2為開放界面，包含：煙囪出口、煙囪內部界面、煙囪底部、外部空氣域的非觀察面區域。邊界3為次要二次反射界面，指煙囪外殼除百葉窗區域外的三個內表面。邊界4為主要二次反射界面，指百葉窗中所有葉片的內、外表面集合。邊界5為觀察界面，包含：紅外輻射源與外部觀察界面。

圖3 三維模型

2.3 計算設置

2.3.1 “幾何光學”接口設置

邊界1是指紅外輻射源，即煙囪內部高溫組件以及煙氣的輻射表面。邊界2壁面條件設置為“消失”。邊界3壁面條件設置為“粘附”。邊界4壁面條件設置為“漫散射”。邊界5其壁面條件設置為“凍結”。邊界1的光源初始位置的設置依據主要是該出的具體細分網格幾何位置；而其輻射射線方向設定為半球類型，其空間內射線數定義為10 000條，并且其輻射方向隨機。

2.3.2 “數學粒子追蹤”接口設置

“數學粒子追蹤”接口同樣是用來模擬光子與壁間的相互作用，邊界設置與“幾何光學”中的相關設置是一一對應的關系。

3 結果與討論

3.1 紅外線傳播光路分析

百葉窗的紅外信號特征被遠距紅外熱成像儀所捕捉，原因主要有兩點：一是百葉窗自身發射的紅外輻射，二是煙囪內部高溫部件產生的紅外輻射通過煙囪排氣引射百葉窗平行葉片結構的多次漫反射向外傳播。

通過幾何光學和數學粒子追蹤的方法分別對百葉窗葉片自發輻射和煙囪內部高溫部件產生的紅外線傳輸光路進行模擬。百葉窗自發紅外輻射的傳播光路見圖4，其紅外線傳播路徑分布呈明顯的半球狀。煙囪內部高溫部件產生的紅外輻射通過百葉窗平行葉片結構的傳播光路見圖5。

圖4 百葉窗自發紅外輻射的傳播光路

圖5 煙囪中內部高溫部件與煙氣的紅外線傳播光路

可以看出，其向外部空間傳播的分布也呈近似半球分布。大量的紅外線通過百葉窗葉片間隙傳播到了煙囪外部，且紅外線傳播方向主要為水平方向，這意味著，通過百葉窗漫反射出來的紅外信號可以被水平探測方向上的紅外傳感器所接收，形成艦船紅外輻射的暴露特征。

3.2 紅外輻射亮度

進一步計算觀察界面(圖3中所示界面5)，接收到的紅外輻射亮度見圖6。其平均值為158.6 W/(m2·sr)，葉片自發輻射的平均輻亮度為8.4 W/(m2·sr)。兩者相比可知，由百葉窗間隙處的“漫反射-出射”所導致的內部高溫部件與煙氣的紅外信號“泄漏”是形成紅外輻射亮點的主要原因。

為了探索通過光路控制抑制紅外信號“泄漏”的途徑，在保證葉片間距不變的前提下，對百葉窗的葉片傾斜角度進行調整，計算結果見表1。對比發現，在僅改變格柵扇葉傾斜角度時，觀察界面所接收到的平均紅外輻射亮度隨葉片傾斜角的增大而減小。這表明，通過增大葉片傾斜角度，控制光路傳播的方向可以減小水平探測方向上紅外信號的強度，有利于紅外隱身。

圖6 排氣引射格柵在接收界面出的紅外輻射照度分布

表1 改變葉片傾斜角度的仿真結果

4 結論

1)煙囪內部高溫部件產生的紅外輻射通過百葉窗平行葉片結構向外部空間傳播，其分布呈近似半球分布。

2)由百葉窗間隙處的“漫反射-出射”所導致的內部高溫部件與煙氣的紅外信號“泄漏”是形成紅外輻射亮點的主要原因。

3)通過增大葉片傾斜角度，控制光路傳播的方向可以減小水平探測方向上紅外信號的強度，有利于紅外隱身。