排气百叶窗对红外信号传输影响的机理分析

2020-01-03

船海工程 2020年6期

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

现代战争中，红外末端精确制导以舰船的红外辐射特征为探测目标，具有抗干扰能力强、难以拦截等特点，是舰船面临的重要威胁[1-2]。因此，红外隐身对于舰船战场生存能力至关重要[3-5]。烟囱部位是舰船主要的红外辐射亮点，是红外隐身关注的重点[6-7]。烟囱排气百叶窗的主要作用是为烟囱引射冷却空气提供流道，冷却空气与主流高温排气的掺混，降低其温度和红外辐射。有学者通过数值计算和实验的方法研究百叶窗安装位置及大小、叶片倾角以及开度等对引射冷却的影响[8]。若设计不得当，百叶窗叶片间的间隙可能造成红外信号的外泄，对红外隐身不利。随着烟囱整体红外隐身设计水平的提升[9-11]，百叶窗区域红外辐射问题逐渐凸显，目前这方面的研究较少，难以支撑百叶窗红外隐身的设计。为此，利用几何光学的方法，建立烟囱红外辐射传输模型，分析排气百叶窗漫反射-出射过程，初步探索排气百叶窗对红外信号传输的影响，以期为百叶窗红外隐身的设计与改进提供依据。

1 原理及方法

舰船动力装置烟囱排气引射百叶窗为平行叶片结构，相邻叶片之间存在一定的重叠，可以遮挡内部高温部件产生的红外辐射通过直接透射的方式向远处传播，但是红外线仍然可以通过漫反射的方式向外传播，造成红外信号的泄漏，见图1。

图1 红外线“透过”百叶窗的传输光路原理

百叶窗的表面可认为是灰体表面，可吸收或者反射红外线，将表面的吸收率α表示为[12]

α=1-ρ=1-ε

式中：ρ为反射率，ε为发射率。

由百叶窗A向A′的投射辐射力为

(1)

穿过百叶窗间隙的红外线的辐射力J′可以由下式来表示：

(2)

使用“数学粒子追踪”通过离散传递法来模拟辐射传输。烟囱内部高温部件产生的红外辐射通过向后射线追踪的方式来模拟，代表射线的粒子以恒定速度从辐射源的表面射出，其分布方式为在速度空间半球内均匀释放，每条射线的辐照度Hij满足

(3)

式中:Eb为黑体辐射功率；θ为初始粒子速度矢量与面法向之间的锐角；dθ为每条射线所对的立体角，对于网格单元i，其辐照度为

(4)

式中：N为网格单元i释放的射线数。

射线遇到壁面后，根据壁面的性质，发生“粒子冻结”、“粒子漫反射”等。百叶窗叶片为“漫反射”边界。最后，统计通过百叶窗后被接收到的粒子数量就可以得到红外信号通过百叶窗向外传播的能量。

2 仿真模型

2.1 仿真方法及流程

为开展红外辐射亮点机理分析，首先需要得到烟囱传热传质过程中的流场、温度场分布。本文综合运用ANSYS Fluent商用CFD仿真软件以及COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件进行仿真计算分析。其中，ANSYS Fluent由于其内置算法简单、计算内存消耗小、计算空间大等独特优势，将承担开放空间计算任务；而后将ANSYS Fluent中计算得到的关键数据导入到COMSOL Multiphysics中做进一步模拟验证，并为后续红外亮点机理分析的仿真计算获取基本输入数据。具体步骤如下。

第一步，采用ANSYS Fluent，选取烟囱及烟囱外部三倍大小的区域作为仿真计算域，进行大空间中传热传质过程分析；

第二步，根据ANSYS Fluent商用CFD软件的计算结果，将格栅位置处的流场数据带入COMSOL Multiphysics中作为边界条件，以此对烟囱内部的烟气浓度和温度场进行模拟分析，并与ANSYS Fluent的计算结果进行对比分析。

第三步，提取COMSOL模拟计算传热传质环节中所得到的格栅表面温度，导入红外仿真模型中，对两种排气引射格栅的自发红外辐射进行模拟计算。

第四步，提取COMSOL模拟计算传热传质环节中所得到的排气管道以及烟气外轮廓的温度场数据，导入红外仿真模型中，以此作为红外辐射热源，对“漫反射-出射”所导致烟囱内部高温部件及烟气的红外辐射信号外泄现象进行模拟仿真。

利用COMSOL Multiphysics“几何光学”、“数学粒子追踪”和“流体传热”三个模块，进行红外辐射仿真。

2.2 几何模型

根据典型舰船烟囱结构的主要特点，对实际舰船烟囱进行简化，得到如图2所示的烟囱几何模型，烟囱左右两侧布置排气引射格栅。排气引射格栅外形及尺寸根据典型舰船常用的排气引射格栅选取。假定烟气初速为20 m/s，烟气初始温度T0=400 ℃。

图2 排气引射格栅分布及烟囱模型(单位为mm)

三维模型见图 3。图3中边界1是指红外辐射源，即烟囱内部高温组件以及烟气的辐射表面。边界2为开放界面，包含：烟囱出口、烟囱内部界面、烟囱底部、外部空气域的非观察面区域。边界3为次要二次反射界面，指烟囱外壳除百叶窗区域外的三个内表面。边界4为主要二次反射界面，指百叶窗中所有叶片的内、外表面集合。边界5为观察界面，包含：红外辐射源与外部观察界面。

图3 三维模型

2.3 计算设置

2.3.1 “几何光学”接口设置

边界1是指红外辐射源，即烟囱内部高温组件以及烟气的辐射表面。边界2壁面条件设置为“消失”。边界3壁面条件设置为“粘附”。边界4壁面条件设置为“漫散射”。边界5其壁面条件设置为“冻结”。边界1的光源初始位置的设置依据主要是该出的具体细分网格几何位置；而其辐射射线方向设定为半球类型，其空间内射线数定义为10 000条，并且其辐射方向随机。

2.3.2 “数学粒子追踪”接口设置

“数学粒子追踪”接口同样是用来模拟光子与壁间的相互作用，边界设置与“几何光学”中的相关设置是一一对应的关系。

3 结果与讨论

3.1 红外线传播光路分析

百叶窗的红外信号特征被远距红外热成像仪所捕捉，原因主要有两点：一是百叶窗自身发射的红外辐射，二是烟囱内部高温部件产生的红外辐射通过烟囱排气引射百叶窗平行叶片结构的多次漫反射向外传播。

通过几何光学和数学粒子追踪的方法分别对百叶窗叶片自发辐射和烟囱内部高温部件产生的红外线传输光路进行模拟。百叶窗自发红外辐射的传播光路见图4，其红外线传播路径分布呈明显的半球状。烟囱内部高温部件产生的红外辐射通过百叶窗平行叶片结构的传播光路见图5。

图4 百叶窗自发红外辐射的传播光路

图5 烟囱中内部高温部件与烟气的红外线传播光路

可以看出，其向外部空间传播的分布也呈近似半球分布。大量的红外线通过百叶窗叶片间隙传播到了烟囱外部，且红外线传播方向主要为水平方向，这意味着，通过百叶窗漫反射出来的红外信号可以被水平探测方向上的红外传感器所接收，形成舰船红外辐射的暴露特征。

3.2 红外辐射亮度

进一步计算观察界面(图3中所示界面5)，接收到的红外辐射亮度见图6。其平均值为158.6 W/(m2·sr)，叶片自发辐射的平均辐亮度为8.4 W/(m2·sr)。两者相比可知，由百叶窗间隙处的“漫反射-出射”所导致的内部高温部件与烟气的红外信号“泄漏”是形成红外辐射亮点的主要原因。

为了探索通过光路控制抑制红外信号“泄漏”的途径，在保证叶片间距不变的前提下，对百叶窗的叶片倾斜角度进行调整，计算结果见表1。对比发现，在仅改变格栅扇叶倾斜角度时，观察界面所接收到的平均红外辐射亮度随叶片倾斜角的增大而减小。这表明，通过增大叶片倾斜角度，控制光路传播的方向可以减小水平探测方向上红外信号的强度，有利于红外隐身。