柴油机水下排气红外抑制仿真及试验研究

唐斯密，李铣镔

海军研究院，北京100161

0 引 言

在现代舰艇设计中，隐身性能越来越受到重视。在水面舰艇柴油机排气的红外抑制措施方面，国内外开展了一系列研究，一些红外抑制技术也已应用于各型舰艇［1-6］。而潜艇在通气管航态下需要浮出水面进行充电，此时柴油机排气口距离水面位置近，排气温度高、流量大，极易在海面形成大范围的温度差而被红外探测装备侦查到。在潜艇的柴油机红外抑制技术方面，虽然也有不少学者进行了研究，但仍处于初步研究阶段［7-12］。

本文将针对排气总管烟气温度过高的问题，设计两级降温措施：一是在排气总管中内置喷淋水雾系统，利用水的汽化潜热，对高温烟气进行初步冷却；二是通过排气总管末端的小孔排气，将大股烟气分散排出，增加气体与海水的热交换，从而将烟气温度尽量扩散至海水中。为了验证设计的正确性，建立仿真模型并开展计算，然后根据计算结果搭建柴油机水下排气系统模型，并使用红外热像仪及温度计测量不同状态下的水面红外、水下温度及排气管背压等数据。

1 建模及仿真

柴油机排气的物理模型参数如下：喷管直径100 mm，高温气体流速10 m/s、气体温度350℃（本文将燃气近似为空气处理）；喷管放置于水面以下0.5 m处，水流速度0.1 m/s，水温为常温27℃，水流方向与喷气方向一致。仿真计算的水面温度分布如图1所示。

图1 柴油机水下排气模型Fig.1 The model of diesel engine under water

对图1（b）所示模型，首先模拟排气管内部喷淋装置对高温烟气的冷却效果。在模拟过程中，对喷嘴流量从0.01～0.03 kg/s变化、喷雾平均粒径为30和50 μm的工况进行了模拟。表1给出了模拟所得不同排气管出口面的平均温度。由模拟结果可知，当喷嘴流量为0.03 kg/s时，能够将350℃的高温气流冷却到60℃左右。

表1 不同流量和喷射粒子下排气管的出口温度Table 1 The outlet temperature with different flow rates and particle diameters

在喷嘴流量足够的情况下，可以充分发挥汽化潜热的作用，将排气的温度大大降低。而粒子直径越小，越容易蒸发，对增加冷却效果有积极的影响。由模拟可知，管内高温气流通过喷水降温，当流速从进口的10 m/s降到出口的6.27 m/s，温度从进口的350℃降到出口的60℃左右时，出口截面上的相对湿度约100%。通过喷雾降温过程，高温气流变成了湿气流动。因此，通过以上仿真，可将喷嘴流量选择为0.03 kg/s。喷雾平均粒径越小，冷却效果越好，但越小的粒径在工程应用时对增压泵的要求也越高，且通过仿真对比，在0.03 kg/s流量下，30 μm与50 μm粒径的冷却效果相当，因此选择喷雾粒径为50 μm。图2所示为柴油机水下直接排放时与红外抑制后的仿真对比图。

图2 柴油机水下排气仿真结果对比Fig.2 The comparison of simulation results when diesel engine exhaust under water on different conditions

由图2所示的仿真结果可知：如果不对水下排气进行控制，高温排气极易浮升至水面并散发到空气中，而经红外抑制后，除排气总管的温度较高外，其他部分的温度基本保持在稳定状态；水下排气会在水面造成浪花，水面不可能保持水平状态，为统一测量标准，通过设置水平面温度监控，在红外抑制后，水平面最高温度可下降约300℃，基本接近原始环境温度。仿真结果显示，所设计的红外抑制装置可极大地改善水下排气的红外辐射问题。

2 试验系统

根据仿真结果，设计了如图3所示的试验系统。试验装置由循环水槽、循环水泵、柴油机排气模拟器、排气管分流装置、水下排气管、流量调节阀门以及红外抑制装置（喷淋系统和小孔排气装置）组成。柴油机模拟器排放出指定温度的高温气体，气体流入一个三通阀后分为2个走向，一端排向水下排气总管，另一端排放至大气，通过调节排气阀门的大小，使水下排气流量达到指定值。在水下排气总管中内置水雾喷淋装置，该喷淋装置由专门的喷射泵控制，以使喷射流量达到设定的要求。为模拟潜艇在水下的运动，水槽采用循环水泵，以使水在水槽内具备一定的流速。

图3 试验方案示意图Fig.3 Schematic diagram of experiment scheme

试验参数与前期的仿真模型参数保持一致，如下所示：

1）相对水流速度：0.2 m/s；

2）水的温度：27.3℃；

3）柴油机排气喷管直径：100 mm；

4）柴油机排气速度及温度：10 m/s，350℃：

5）柴油机排气管中心距离水面深度：0.5 m；

6）内置喷嘴参数要求：水压7.5 kg/cm2，流量0.03 kg/s；

7）排气管末端小孔设计参数：2 400个直径2 mm的小孔。

试验装置总图如图4所示。

图4 试验装置Fig.4 The experiment setup

3 测试设备

由于柴油机对背压的要求较高，为了验证红外抑制装置对柴油机的正常工作无影响，在排气总管中设置了压力传感器，以检测各种状态下背压的变化情况。采用的安捷伦温度测量系统在排气管内有2个测量点：一是排气管内部喷嘴前；二是排气管内部喷嘴后。第1个温度传感器主要用于监测输入的气体温度是否在额定值内，后面一个温度传感器用于检测汽化潜热发挥作用后的废气温度变化。同时，采用红外测量系统作为此次试验的水面红外监测手段。考虑到测量对象的温度较高，红外测量系统采用中波Image IR 8325型热像仪，如图5所示。

图5 红外测试系统Fig.5 The infrared data record system

4 试验结果与分析

为了验证两级冷却系统对柴油机背压的影响，对以下4种状态时的管道压力进行了测量，结果如表2所示。

表2 不同状态下排气管压力值Table 2 The pressure in the exhaust pipe under different conditions

当排气管内置的喷淋装置打开后，普通排气管和小孔管状态下的背压均有一定程度的下降，这是因为气体受冷后体积变小，但变化不明显。在普通排气管和小孔管状态下，后者的开口面积虽然比前者的大，但小孔会有附加阻力损失，且根据观察，部分小孔并未参与水下排气。小孔排气会在一定程度上增加阻力损失，但若开口设计得合理，增加的比例很小，则对背压几乎没有太大影响。

为了分析两级红外冷却系统的红外抑制效果，在2种工况下对水槽内水面的红外辐射强度进行了数据采集：1）柴油机高温排气直接排放于水中（常规排气）；2）柴油机高温排气经两级冷却后排放至水中（红外抑制）。这2种工况下的水面红外热像图如图6所示。

图6 红外抑制前、后水槽内的高温排气红外热像图Fig.6 High temperature exhaust infrared image in the tank before and after infrared signature suppression

对比图6（a）和图6（b）可以发现：图6（a）中的红外辐射非常强烈，而且热气在水下是以大股气体的形式直接浮升至水面，造成水面的浪花喷射较高；而图6（b）中由于小孔排气将气体分成了多个小股气流，减弱了其浮升速度，增加了热交换，故水面情况较为缓和，基本消除了水面红外特征。将图6（a）和图6（b）中的高温部分提取并进行红外分析，得到红外抑制前、后的红外辐射亮度如表3所示。

表3 不同工况下水面红外辐射亮度对比Table 3 Comparison of infrared radiation brightness of water surface under different conditions

表3所示结果表明：高温排气经两级冷却后，3～5 μm的辐射亮度降幅很大，最大辐射亮度从50.85 W/m2降到了6.02 W/m2，平均辐射亮度从17.36 W/m2降到了5.86 W/m2，最大辐射亮度降低约90%，达到了抑制强红外辐射源的目的；在两级冷却作用下，最大辐射亮度与平均辐射亮度基本相当，说明红外抑制后水面没有了明显的红外“亮点”。

为进一步证明内置喷淋装置和小孔排气的降温作用，在水池中排气管后的上方安装了温度传感器阵列，共计3排，每排布置8个传感器，具体位置如图7所示。分别测量以下3种状态下的水下温度：

1）状态1，打开内置喷淋系统，柴油机排气经过喷淋和小孔两级冷却；

2）状态2，关闭内置喷淋系统，仅通过小孔排气进行红外抑制；

3）状态3，关闭内置喷淋系统，拆除小孔排气管，将热气在水下直接排放。

图7 温度传感器布置图Fig.7 The location of temperature sensor

对比图8中的3幅图可以看出，虽然小孔是均匀排列的，但是很明显，在状态1和状态2下，x，y，z序列传感器的高温都集中在排气管的前段（靠近排气口端）和中段，后段（远离排气口端）温度通常较低。这是因为小孔排气装置在排放气体时，大部分气体从前段的小孔排放了出来，流经后段小孔的气体较少。由图8（a）可知，加装小孔排气和内置喷淋系统后，接近水面的温度大幅降低，平均温度约为28.6℃，已经接近于环境水温27.3℃；在未内置喷淋系统的情况下，虽然温度也大幅降低，但仍然比环境温度约高5℃，故仍然可以在水面形成较为强烈的局部红外辐射。当未采取任何红外控制措施，高温气体直接从排气管排出时，在水面附近形成了强烈的热源，故在水面形成了强烈的红外辐射，这与图6（a）所示的红外测量结果一致。

图8 温度传感器的温度图Fig.8 Temperature diagram of temperature sensor

由图8可知，无论哪种排放方式，高温在局部区域都比较明显，主要集中在前段部分，后段部分由于水流的掺混以及排放量较少，与环境水温相差不大。由于水下测量环境复杂，不仅有水还有高温气体，故温度传感器的测量数据有波动。图8所示的数据虽然不是特别准确，但仍可对红外抑制措施进行定性分析，即相比水下废气直接排放方法，采用两级冷却排气措施之后，水面红外局部辐射大幅降低。

5 结 语

本文通过仿真，验证了两级冷却的可行性，并确定了试验参数。通过对比试验，发现加装红外抑制装置后，水槽内水面红外辐射亮度最大可减少约90%，充分验证了红外抑制装置的有效性。排气管加装红外抑制装置后，发现柴油机的背压变化较小，说明小孔排气装置若设计合理，冷却系统对柴油机背压的影响将很小。但是小孔排气设计也有不足之处，即大部分高温气体会通过小孔装置的前段逸出，而后段小孔则少有气体。为了充分利用小孔的空间，在后续的小孔设计中将增加小孔排气装置排气均匀性的优化设计。该红外抑制方法对于其他设备水下高温排气的红外抑制亦有较好的借鉴意义。