基于Fluent的飞机红外辐射特性建模与仿真

吴沿庆，廖守亿，张作宇



基于Fluent的飞机红外辐射特性建模与仿真

吴沿庆，廖守亿，张作宇

（火箭军工程大学测控工程系，陕西 西安 710025）

建立飞机几何模型进行非结构化网格处理，基于Fluent软件对飞机在外流场作用下的气动热进行了数值模拟计算，综合考虑尾喷管、尾焰辐射对飞机机身温度的影响，获得飞机表面的温度分布数据，然后基于反向蒙特卡洛法建立飞机机身红外辐射特性计算模型，利用辐射传输方程计算尾焰红外辐照度，通过灰度转换获得飞机的红外图像。

红外辐射特性；Fluent；非结构化网格；反向蒙特卡洛法；灰度转换

0 引言

随着红外成像制导和红外探测技术的迅猛发展，各类武器系统在研制过程中越来越重视对武器装备的红外辐射特性进行分析。近年来，航空航天领域竞争趋向白热化，以飞机为典型代表的空中目标红外仿真研究得到各国的高度重视，国外开发出很多成熟的软件平台，如北约联合开发的空中目标红外辐射模型软件NIRATAM，俄罗斯的IRSAM计算模型，美国的SPIRIT等。国内在红外仿真领域做了大量的研究但没有开发出可投入商用的成熟软件平台。目前针对飞机的红外特性研究主要有两种典型的方法，一是在真实环境下通过试飞获得实测数据与理论数据的对比试验，二是利用计算机进行理论或工程模拟仿真[1]。文献[2]基于传热学原理求解节点网络热平衡方程获得飞机表面温度场，利用OpenGL库生成可视化飞机红外图像，文献[3]和[4]基于计算流体力学（computa- tional fluid dynamics, CFD）计算得到飞机表面及流场温度分布情况，基于MOTRAN计算获得环境辐射数据，建立了背景辐射下的飞机红外辐射特性计算模型。在以往的研究中，对飞机等空中目标的红外特性建模工作多将蒙皮的驻点温度或恢复温度作为蒙皮的实际温度，没有考虑外部流体的空气动力学影响，对飞机内外部传热的耦合作用缺乏深入研究[5]；多数文献选择将飞机蒙皮视为发射率为常量的灰体进行建模仿真工作，而实际光谱发射率是温度与波长的函数，把发射率当作定值处理往往会带来较大的误差。

在建立飞机几何模型的基础上，对模型进行网格化处理，并建立飞机周围外流场，利用商用软件Fluent对飞机的外流场进行数值模拟求解获得飞机表面的温度场分布数据，进而获得飞机红外特征数据。

1 飞机几何建模

1.1 飞机三维模型

以某型战斗机为对象，利用三维建模软件3ds Max 2010建立飞机的几何模型可以简化在Fluent前处理软件中对飞机模型进行网格化处理的过程。将飞机模型按照指定的文件格式输出，其建立的三维几何模型如图1所示。

图1 战斗机三维几何模型

1.2 飞机网格划分

网格生成是CFD中进行数值计算最关键的环节，网格生成的质量直接关系到CFD计算问题的正确性，因此对于复杂几何外形和流场而言，网格生成工作是整个计算分析过程的首要部分，它耗费的时间占据了整个计算任务全部时间的60%左右[6]。目前较为先进和成熟的网格生成软件有ICEM、Gambit、Gridgen、GridPro等等，其中ICEM作为CFD的前处理软件，在工程实践中得到了极大的发展，在网格生成方面具有较好的兼容性获得了业界人士的认可。

本文在ICEM环境中对制作的飞机几何模型进行进一步的网格化处理。对于飞机类的复杂结构几何模型，进行结构化网格划分的过程十分复杂而且很难生成满足计算要求质量的网格。对飞机各部分分区进行非结构化网格划分，采用局部网格加密技术对温度变化较大的区域进行单独设置不仅能保证较好的网格质量，同时也能减少网格生成周期，但网格生成过程对计算机的硬件要求较高。面网格为三角网格，体网格为四面体混合网格，划分结果如图2所示。

图2 飞机非结构网格生成

2 飞机温度场计算

2.1 蒙皮温度场

蒙皮是飞机辐射面积最大的部分，也是飞机在8～14mm波段最主要的辐射来源，在红外成像探测中具有较为明显的轮廓线，成为目标识别的重要来源。飞行中，由于高速气流的气动加热和发动机内热源的辐射传热作用，飞机蒙皮表面温度会有较剧烈的变化，从而产生大量的红外辐射。对飞机这种复杂传热下的目标温度场，求解最精确和普遍的做法是利用节点网络法求解面元的节点热平衡方程。但这种耦合的非线性方程一般没有精确的代数解，通常将驻点温度或恢复温度作为飞机表面的初始温度进行数值计算求解非线性方程。

本文利用商用CFD软件Fluent对飞机外流场进行数值模拟计算。在对飞机表面进行网格化处理后，对飞机的外流场区域也要进行网格划分，为保证飞机的外流场的完整性和计算的可靠性，将飞机的外流场区域简化为一个长方形区域，其长度为飞机长度的15倍，其他方向为机身最大展宽5～10倍，目标处于流场1/3处，面网格全部采用三角形网格，体网格为四面体混合网格。外流场网格划分如图3所示。

图3 飞机外流场网格划分

采用Fluent的分离隐式求解器进行求解计算，湍流模型采用Spalart Allmaras模型，设定飞机及流场边界条件如下[2]：

①飞机周围四周为压强远场边界：飞行速度为1.6，假定飞机飞行高度为11km，迎角为0，设置静压为2.27×104Pa，温度217K，流动方向为机身纵轴方向。

②进气道进口为压强出口边界：静压等于大气压强，质量流量为82kg/s。

③尾喷口为质量入口边界：质量流量为82kg/s，设喷管中燃气完全膨胀，喷口静压等于大气压强，为2.27×104Pa，温度为1205K。

固体壁面均采用无滑移速度边界条件，内外流耦合壁面设定为流-固耦合面，获得温度场分布如图4。

图4 飞机机身温度场分布

2.2 尾焰温度场

飞机尾焰流场具有很强的红外辐射作用，也是飞机最显著的红外辐射源，发动机排出的高温热气体和粒子形成的尾焰主要为燃烧后产生的二氧化碳和水蒸汽气体，为选择性辐射体。尾焰辐射受发动机推进剂和燃烧后生成物的组成成分、工作状态、飞行状态和尾焰的形状影响，其温度分布较为复杂[7]，同时尾焰对喷口的辐射具有吸收作用。对尾喷焰温度的分析涉及喷流流场及气体分子辐射理论，尾焰流场受宏观守恒定律的约束包括质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律，必须求解基于化学反应平衡混合模型Navier-Stokes方程组[8]。综合考虑发动机尾喷管与尾焰的辐射作用，将发动机尾喷管简化为柱形空腔体组合，尾喷管出口为尾焰的压力入口边界，尾焰射流核心部位采用局部网格加密进行处理，确保网格密度能反映出尾焰流动特征。尾焰外流场区域用足够长圆柱体网格包络，直径为发动机最大直径的5倍，长度为发动机最大直径的30倍，飞机喷管及尾焰外流场网格划分如图5所示。利用Fluent基于压力和速度的分离隐式求解器对压力修正方程、动量方程和能量方程进行求解，速度压力耦合采用Simple算法，各参数离散采用二阶迎风差分格式。

图5 飞机尾喷管及尾焰流场网格

喷管口设置为质量入口边界如2.1节中边界条件③设定，尾焰流场边界全部采用压力远场边界条件模拟空气自由来流。Fluent仿真获得的尾焰温度分布结果如图6。

图6 Fluent仿真尾焰温度图像

3 飞机红外辐射计算

3.1 飞机机身红外辐射

机身红外辐射采用基于辐射传递因子的反向蒙特卡洛法（reverse Monte Carlo, RMC）计算，详细计算过程参照文献[9]所述。反向蒙特卡洛法的基本思想是在视场角范围内从探测点向飞行器发射若干光束，经过一系列的传递过程，统计能够对目标产生影响的每个体元和面元，然后利用相对性原理计算到达特定方向上的红外辐射能量。在Fluent计算获得温度场的基础上将辐射传输过程分为发射、反射、吸收和散射等一系列独立的子过程，并建立每个子模型的概率模型，根据反向蒙特卡洛法，从探测或接受点发射一定量的光束，跟踪、统计每个光束的结果（被吸收或从系统逃逸），从而获得面元辐射能量分配的统计结果，通过数学抽样统计的方法，考虑每个壁面单元与所有壁单元之间的相互作用，避免了每个壁面单元间角系数的繁琐计算过程，其计算步骤如图7。

图7 反向蒙特卡洛法计算过程

3.2 飞机尾喷管红外辐射

工程计算中将飞机尾喷管部分视为灰体，假定尾喷管内腔各点温度是均匀的，并且呈漫反射特性，根据尾喷管的流场温度和面积计算其红外辐射，其总辐射出射度表示为：

＝T4(1)

辐射功率为：

＝p2/4 (2)

指定波段内，尾喷管黑体辐射出射度表示为：

式中：为辐射波长；为普朗克常数；为光速；为获取的尾喷管温度；为波尔兹曼常数。

目标辐射亮度和辐射强度计算公式分别为：

式中：D为喷口面积；1为喷口截面法线与观察方向夹角。

由于高温尾焰对喷管辐射热量具有强烈的吸收作用，这部分损耗的辐射对尾喷管的红外特性有很大的影响，对飞机在指定路径上的辐射需加以修正[5]：

¢(,)＝(,)×(,,) (6)

式中：¢(,)为修正后的尾喷管辐射强度；(,,)为喷管通过尾焰的指定路径的透过率。

3.3 飞机尾焰红外辐射

飞机尾焰的红外辐射较为复杂，主要取决于高温尾焰的温度场和组成成分，不同高温气体间存在着吸收和释放红外能量的复杂关系[10]。文献[1]采用了微观谱带模型C-G近似法计算，考虑谱线的展宽效应和多普勒展宽效应对尾焰的红外辐射沿任一视线方向的辐射亮度进行了计算。文献[11]利用经验法简化计算模型，在获得温度场的基础上根据普兰克公式计算得到尾焰辐射强度。本文利用解辐射方程的方法进行计算，尽管计算量较大，但美国、西欧、以色列等红外技术水平较高的国家均用此方法解决羽流辐射的计算问题。飞机尾焰的辐射传输方程可用下式[10]表述：

式中：为尾焰相对于观测方向的光谱辐射亮度；,b为某一位置处的光谱辐射亮度；为该方向传输路径；(,¢,)为沿传输路径中某点处的光谱透过率。

对式(7)在波长，构成立体角俯仰角为、方位角积分，可得到观测点处的辐照度为：

式中：、分别为视角范围内的俯仰角取值上下限；分别为视角范围内方位角取值上下限；分别为光谱波长上下限。

4 成像仿真

在获得了飞机的红外辐射强度的基础上，需要将各部分辐射强度表现为可视化图像，才能获得飞机的红外图像，生成的灰度图像效果如图8所示。将飞机的红外辐射强度转化成灰度等级是线性转换，是均匀量化的过程，采取以下方法进行[7]：

1）确定灰度值上下限。将灰度图像设定为256个等级，灰度范围为256，其中min＝0，max＝255；

2）确定计算的辐射强度的最大、最小辐射强度值，分别用max和min表示；

3）各辐射强度为处对应的灰度值为：

5 结论

以歼十战斗机为例，利用商用CFD软件Fluent对飞机的流场进行数值模拟仿真获得了飞机的温度场分布，在此基础上对飞机的红外辐射特征进行计算和图像生成工作，避免了以往通过建立传热学模型，求解热平衡方程的繁琐过程。利用Fluent求解器对尾焰的Navier-Stokes方程组进行温度求解使得结果更精确，可靠性更强。基于反向蒙特卡洛法原理编写机身面元辐射计算程序，利用辐射传输方程对尾焰辐射照度进行计算。

本文仅对飞机的本征红外辐射特征进行了计算，获得了飞机零视距的红外图像，没有将飞机在空中飞行的背景辐射和大气传输过程相结合模拟更真实的红外场景，在尾焰仿真计算中没有考虑不同气体组分对尾焰温度及其红外辐射亮度的影响，这也是下一步研究的方向和重点。

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Modeling and Simulation of Airplane Infrared Signature Using Fluent

WU Yanqing，LIAO Shouyi，ZHANG Zuoyu

(,, 710025,)

An aircraft geometric model is established for unstructured grid processing, and numerical simulation of the aerodynamic heat in the external flow field is carried out using the Fluent software. Considering the influence of nozzle and plume radiation on the aircraft temperature, the temperature distribution data of aircraft surface is obtained. The model for calculating infrared radiation of aircraft fuselage is established based on the reverse Monte Carlo method, the infrared irradiance of plume is calculated based on the radiative transfer equation, and the infrared image of the airplane is obtained using the method of gray level transformation.

Fluent，unstructured grid，reverse Monte Carlo method，gray level transformation

TN219

A

1001-8891(2017)06-0548-05

2017-02-21；

2017-03-03.

吴沿庆（1993-），男，安徽池州人，硕士研究生，主要研究方向为导航，制导与仿真。E-mail：1351771462@qq.com。

廖守亿（1974-），男，重庆人，教授，硕士生导师，主要研究领域为复杂系统建模与仿真、导弹精确制导与控制。E-mail：6127725@qq.com。