降低表面温度和发射率抑制排气系统红外辐射的研究

为了降低涡扇发动机轴对称排气系统的红外辐射特征,研究了降低排气系统腔体表面温度和发射率抑制红外辐射的规律。首先通过模拟实验研究了对中心锥进行冷却和涂覆低发射率涂层的红外抑制效果;然后用实验数据对本文使用的红外辐射特征计算方法和程序进行了验证;最后通过数值计算研究了典型尺寸的涡扇发动机排气系统降温和发射率分布对红外辐射特征的影响规律。结果表明：降低中心锥等部件的温度和发射率可明显降低排气系统在α〈15°范围内的红外辐射强度;若中心锥的温度降低100K,中心锥、涡轮和径向稳定器等部件的表面发射率降至0.2,则排气系统尾向的红外辐射强度可降低40%以上,探测距离缩短20%左右。     

飞行器红外隐身效能工程评价方法

 针对飞行器的红外隐身问题,推导出红外辐射对比度与作用距离的理论关系,采用指数拟合获得大气透过率与作用距离的近似关系表达式,简化了对作用距离的计算,并通过实际算例考察了目标表面温度、目标发射率和飞行速度对红外辐射对比度及作用距离的影响。结果表明：对比度和作用距离随目标表面温度、发射率及飞行速度的下降趋势基本一致;在一定条件下,对比度可代替作用距离作为评价目标红外隐身效果的简单、快速的参数,对比度越小目标的红外隐身效果越好。对比度的计算快速、准确、灵活性强和适用范围广,为今后进一步对飞行器的红外隐身研究提供一定的理论参考。     

战斗机8~14μm波段红外特征及低发射率材料隐身效果

对某典型战斗机在8~14μm波段范围内的红外积分辐射强度空间分布进行了数值计算,考虑了大气透过率的影响,计算了使用红外搜索跟踪系统对战斗机进行探测时的探测距离,并分析了该战斗机采用低发射率材料后的红外隐身效果.战斗机的流场采用商用Fluent软件进行计算,红外辐射特征及探测距离采用自开发的NUAA-IRSE软件进行计算.计算结果表明:在8~14μm波段,周向角一定时,俯仰角越大红外积分辐射强度越大;俯仰角一定时,周向角越大红外积分辐射强度越大.采用低发射率材料后,战斗机在整个空间方向范围内,其红外积分辐射强度降低,战斗机红外隐身效果提高.      

环境辐射对亚声速飞行器红外特征影响的数值仿真研究

为了研究复杂环境对典型亚声速飞行器红外辐射特征的影响,本文建立了考虑环境辐射的飞行器红外特征反向蒙特卡罗计算模型。以X45C无人机为对象,分析了其亚声速飞行状态下红外辐射强度的空间分布规律以及飞机红外辐射与环境背景的对比特征。结果表明,亚声速飞行状态下,环境背景对飞机下表面辐射亮度的影响大于飞机上表面,飞机的红外辐射特征与背景的对比随探测方向存在明显差异。     

引气结构对二元塞式喷管冷却和红外辐射特性的影响

为降低加力状态下二元塞锥表面温度和喷管红外辐射强度，对塞锥进行冷却结构设计。采用数值模拟的方法对比分析了引气结构、冷却通道高度和冷气入口总压比对塞锥冷却和喷管红外辐射特性的影响。结果表明：塞锥冷却后其表面温度和喷管红外辐射强度显著降低；引气腔内无冲击板时，引气角度的改变引起射流核心区位置的变化，造成塞锥头部和前缘展向温度分布差异明显，引气角度为90°时塞锥表面最高温度要比30°和60°的模型高50K；加装冲击板后，冷却通道内的流量分配和塞锥前缘的展向温度分布得到有效改善、塞锥头部的换热得以增强，但同时会引起较大的总压损失，因此相同入口总压比下，加装冲击板后冷却流量降低、塞锥外表面温度升高；随着冷却通道高度增大，冷气流量增加、流速降低，故存在一个最佳通道高度使得塞锥冷却效果最好；以塞锥无冷却为基准，入口总压比为1.0～1.8时，塞锥外表面最高温度降低了470～590K,0°探测角上红外辐射强度降低了25%～33%。     

一体化红外抑制器遮挡和出口修型对后机身表面温度和红外辐射特性的影响

针对与后机身融合的一体化红外抑制器模型,采用数值模拟的方法研究了内部遮挡和出口修型对后机身表面温度场和红外辐射特性的影响。在混合管外部采用遮挡套或曲面遮挡板可有效降低后机身侧壁面对应混合管后段的局部区域最高温度,两种方式均可有效降低水平探测面以及铅垂面上方3~5 μm波段和8~14 μm波段红外辐射强度峰值;然而,加装遮挡套方式会影响旋翼下洗气流的导入,使3~5 μm波段的红外辐射强度在铅垂面下方较基准模型有小幅的增加。对后机身排气口进行出口修型,虽然对降低后机身3~5 μm和8~14 μm波段红外辐射强度的作用效果并不显著,但可以有效消除排气出口下方壁面的高温区,其中采用狭窄流道引气冷却方式可以使得后机身侧壁仅高于环境温度10 K左右。     

基于BRDF的排气系统红外辐射特征计算研究

为了提高涡扇发动机排气系统红外辐射强度的计算精度,研究了壁面反射特性对计算结果的影响。红外辐射特征的计算采用反向蒙特卡罗(RMC)法,壁面反射采用双向反射分布函数(BRDF)和漫反射两种模型,并将计算得到的红外辐射强度与模型试验测试结果进行了对比。通过研究BRDF模型参数的变化对计算结果的影响确定了所采用模型中参数的取值。结果表明:壁面反射采用BRDF模型是提高红外辐射计算精度的有效途径。对于本文的试验模型,采用BRDF模型后,明显减小了以低发射高反射部件辐射为主的方向上红外辐射强度的计算误差。     

大气及地面红外辐射对高空飞机长波低发射率红外隐身效果的影响

计算分析了蒙皮反射的大气及地面红外辐射对高空飞机采用低发射率材料的红外隐身效果的影响.蒙皮温度采用恢复温度,红外辐射采用反向蒙特卡罗法计算.考虑了夏季和冬季两种典型大气和地面条件,亚声速巡航和超声速巡航两种飞行状态.结果表明:蒙皮对背景红外辐射的反射使得低发射率材料对飞机红外辐射强度的抑制效率降低1.5%~6%;考虑反射的背景红外辐射时,探测距离增加20%~70%;背景红外辐射对低速飞机的红外辐射影响较大,且夏季比冬季更明显;当飞行速度较低时,降低飞机上表面发射率,当飞行速度较高时,降低飞机全部表面的发射率,可获得更好的红外隐身效果.      

二元塞式矢量喷管塞锥尾缘冷却及红外辐射抑制效果

运用数值模拟方法,在主流总温920K、冷却空气总温470K的参数条件下,对比分析了塞锥尾缘气膜孔开孔率(1%~4%)、冷却空气用量(4.3%主流质量流量以内)和矢量偏转角(0°~20°)对二元塞式喷管塞锥尾缘冷却和红外辐射的影响。结果表明塞锥尾缘气膜冷却可以有效降低表面温度和喷管红外辐射强度,开孔率为2%的气膜孔阵列的表面降温效果相对较优;冷却空气质量流量比超过2.85%时,塞锥表面温度降低幅度随冷却质量流量比的变化趋于减缓,当冷却空气质量流量比为2.85%时,水平探测面±30°探测角内红外辐射强度相对无冷却喷管下降50%左右,铅垂探测面上气膜冷却表面降温对红外辐射强度的抑制效果更为显著;矢量角对于壁面温度分布影响很小,但对红外辐射强度空间分布具有重要的影响。     

飞行器排气系统红外隐身技术探析

针对飞行器排气系统的红外隐身问题,对其红外辐射特性、辐射机理进行了讨论分析,重点探讨了排气系统应用遮挡技术、冷却技术以及低红外发射率技术等几种红外隐身技术的特点和效果,论述了飞行器排气系统红外隐身技术的发展趋势,为飞行器红外隐身设计提供了参考。     

基于增强型离散相模型和化学燃烧的红外诱饵弹建模方法

红外（IR）诱饵弹是一种主要的红外对抗武器，建立一种准确的红外诱饵弹模型将对红外制导算法的研究起重要作用。目前，针对红外诱饵弹的计算机流体仿真（CFD）建模方法中，通常不考虑红外药剂的燃烧对红外模型产生的影响，这将从机理上直接导致建模精度下降。针对这一不足，本文在增强型离散相模型（DPM）红外诱饵弹建模方法的基础上加入了化学燃烧相，建立了准确性更高的仿真模型。实验结果表明，与原有的模型相比，加入化学燃烧相后的新模型在图形特征的仿真精度上有明显提升。     

全尺寸二元喷管红外辐射特性研究

 设计了一种全尺寸二元收敛喷管,用涡轮喷气发动机 WP-6作为燃气发生器,在发动机处于最大状态时,用红外光谱仪对二元喷管及尾喷流的红外辐射进行了测试。研究结果表明,与基准喷管相比,在发动机产生相同推力的条件下,二元喷管改善了喷口和尾焰红外辐射的光谱分布,减小了红外源的尖峰辐射,明显降低了发动机的红外辐射强度。     

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

直升机红外抑制器遮挡罩间距对红外辐射特性的影响

运用CFD/IR(computational fluid dynamics/infrared)数值模拟的方法,研究了直升机红外抑制器遮挡罩不同遮挡间距对红外辐射特性的影响.计算结果表明:相对未加装遮挡罩的红外抑制器,加装遮挡罩后红外辐射强度在水平面和铅垂面下方可以削弱90%以上;随着遮挡间距的增加,遮挡罩外露壁面的温度呈现单调降低的趋势;在研究的三种遮挡间距(5,10,35 mm)下,10 mm遮挡间距的红外抑制效果更为优越.      

A new model to simulate infrared radiation from an aircraft exhaust system

A multi-scale narrow band correlated-k distribution(MSNBCK) model is developed to simulate infrared radiation(IR) from an exhaust system of a typical aircraft engine.In this model,an approximate approach instead of statistically uncorrelated assumption is used to treat overlapping bands in gas mixture.It significantly reduces the requirement for computing power through converting the exponential increase of computing power consumption with the increase of participating gas species to linear increase.Besides,MSNBCK model has a great advantage compared with conventional methods which can estimate each species' contribution to the total gas mixture radiation intensity.Line by line(LBL) results,experimental data and other results in the references are used to evaluate this new model,which demonstrates its advantage in terms of accuracy and computing efficiency.By coupling this model and finite volume method(FVM) into radiative transfer equation(RTE),a comparative study is conducted to simulate IR signature from the exhaust system.The results indicate that wall's IR emission should be considered in both 3-5 μm and8-14 μm bands while gases' IR emission plays an important role only in 3-5 μm band.For plume IR radiation,carbon dioxide's emission is much more significant than that of water vapor in both3-5μm and 8-14 μm bands.Especially in 3-5 μm band,the water vapor's IR signal can even be neglected compared with that of carbon dioxide.     

一种基于红外图像的目标自动识别算法

红外成像制导具有在各种复杂战术环境下自主搜索、捕获、识别和跟踪目标的能力,代表了当代红外制导技术的发展趋势。提出了一种红外图像预处理、跟踪、分类的自动目标识别算法,利用小波变换、形态学方法对红外图像进行预处理,提取不同频带的惯性不变矩作为特征量,利用神经网络进行分类识别,结果表明该算法具有很高的识别率,对于精确制导武器的目标识别研究具有一定的参考价值。     

用温度修正的k-ε模型研究排气系统红外辐射特性

为研究温度修正的k-ε湍流模型对排气系统红外辐射特性计算精度的改善程度,计算了某轴对称收敛喷管在3~5μm波段的空腔-喷流组合红外辐射特性,并与试验结果对比.喷管流场及温度场采用有限体积法(FVM)求解Navier-Stokes(N-S)方程得到,湍流模型分别采用标准k-ε模型和温度修正的k-ε模型.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程,并考虑大气衰减作用.计算结果表明:温度修正的k-ε模型可有效预测排气系统热喷流的核心区长度,从而获得与试验结果一致的红外辐射强度.与标准k-ε模型相比,采用温度修正的k-ε模型计算得到的红外辐射强度的最大相对误差由64%降至了4.3%,说明温度修正的k-ε模型适用于精确模拟排气系统的红外辐射特性.      

红外导引系统快速原型仿真中的场景生成技术

介绍了基于Vega视景引擎红外场景生成方法,并应用于基于RT—LAB快速原型平台空空导弹红外导引系统快速原型仿真。设计了空空导弹红外导引系统快速原型仿真框架,根据框架建立了弹目6自由度运动学／动力学、红外导引系统Simulink仿真模型及目标等三维几何模型,采用Vega传感器模块和粒子系统模块实现目标各部件温度和干扰弹的自定义设置,同时针对快速原型实时仿真的要求设计了高精度的帧频控制方法。将红外场景生成软件与某空空导弹快速原型仿真系统进行联合仿真进行验证,对空空导弹导引系统的研制与开发起到了重要作用。     

单边膨胀喷管红外辐射特性的数值模拟

 通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR) 数值模拟的方法,研究了单边膨胀喷管(SERN)膨胀边开缝、膨胀边倾斜角度和喷管收敛通道面积比这3个结构参数对单边膨胀喷管气动性能和红外辐射特性的影响规律。模拟结果表明：单膨胀边上开缝后,红外辐射强度有较为显著的下降,气动性能也得到改善;其中, xOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降26.4%, yOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降25.2%,单膨胀边壁面平均温度从643 K下降到335 K左右;单膨胀边倾斜角度增大,使得喷管推力矢量角增大,轴向推力系数减小,对高温内壁面和喷管尾焰的遮挡效果减弱;收敛通道面积比的增大使喷管红外辐射强度降低的同时,也使喷管的推力相应减小。     

遮挡板结构对二元喷管红外辐射特性的影响

在宽高比3.33的圆转矩形二元喷管的出口处安装下遮挡板,通过基于计算流体动力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法来研究遮挡板结构对喷管壁面和尾焰的红外辐射强度的抑制效果.研究表明带狭缝气膜冷却的双层遮挡板对排气系统的红外辐射具有更为显著的抑制效果.