喷射条件对气溶胶烟幕释放效果的影响

任浩亮， 张建超， 程会川

(中国航空发动机研究院仿真技术研究中心， 北京 101304)

随着现代光电探测技术的进步，红外成像精确制导技术不断发展，红外制导导弹对于作战飞机的威胁也越来越大。基于气溶胶烟幕良好的红外干扰特性，越来越多的研究开始侧重于烟幕这种经济有效的无源干扰手段，烟幕红外干扰方式在中外已有较大的发展[1-6]。红外烟幕通常分为辐射屏蔽型高温烟幕和红外衰减遮蔽型烟幕[7]，当前研究较多的主要集中的红外衰减遮蔽型烟幕上[8]，这种类型的烟幕主要通过对红外信号的吸收和散射作用达到红外遮蔽的效果。烟幕材料包括石墨、石墨烯、纳米材料、金属粉末甚至生物材料等多种形式。20世纪60年代，美国空军就开始研究飞机后方喷射烟幕对红外辐射的衰减效果；20世纪80年代，以色列也开展了在模型发动机尾喷流四周喷射碳粒进行红外抑制的研究，结果表明碳粒烟幕可使尾喷口红外抑制效果最高可达85%以上[9]。中国学者对大气气溶胶特性进行了大量研究[10-11]，对气溶胶烟幕特性的研究也取得了较多的成果。刘本利等[12]对炭黑颗粒的烟幕红外干扰特性进行了研究，分析了烟幕浓度和厚度对干扰效果的影响。刘清海等[13]对石墨烯材质的烟幕红外干扰特性进行了研究，研究表明石墨烯气溶胶的悬浮性能较好，消光能力表现优异，且沉降速度较低。徐路程等[14]对红外烟幕的扩散特性进行了研究。

根据烟幕的形成机理进行分类，包括爆炸型烟幕和喷射型烟幕，其中爆炸型烟幕主要用于形成高温烟幕，喷射型烟幕则用于形成红外衰减遮蔽型冷烟幕[15]。应用于发动机尾焰红外抑制的烟幕主要为喷射型烟幕，其应用方式主要是在发动机高温尾焰周围喷射气溶胶，形成屏蔽层，对尾焰进行包裹，通过散射和吸收屏蔽尾焰的红外辐射，早在20世纪90年代，韩启祥等[16]搭建了发动机尾喷口气溶胶喷射系统，并进行了相关实验研究；南京航空航天大学常海萍教授课题组也相继通过数值模拟和试验的方法，对气溶胶材料的选取、消光能力等开展了深入研究[17-22]。

喷射型气溶胶烟幕主要通过气流携带气溶胶颗粒形成，当气流速度较高时会形成高速射流，高速射流喷射条件会对气溶胶烟幕的释放效果造成不同的影响。现有文献大多针对烟幕材料本身的红外干扰特性或尾喷流气溶胶烟幕的形成进行研究，针对高速射流气溶胶烟幕透射率特性的研究较少。为此，采用计算流体力学方法，首先对均匀大气环境下高速射流流场进行数值模拟，然后采用离散相模型模拟气溶胶颗粒在该流场下的扩散规律，获得气溶胶粒子的浓度分布，利用Lambert-Beer定律，计算气溶胶烟幕流场透射率分布，评估气溶胶烟幕在研究条件下能够形成的低透射区域。通过对高速射流烟幕透射率分布规律的研究，明晰喷射条件对烟幕形态的影响规律，为射流喷嘴的合理设计及喷射压力，流量的合理选取提供参考。

1 模型及网格

1.1 物理模型

气溶胶烟幕颗粒喷射流场如图1所示，计算域包括射流进口(喷口)，外流进口，计算域出口、对称轴以及外流边界，其中射流进口用于高速气流喷射及气溶胶颗粒释放，外流进口用于模拟外部大气环境条件。由于计算涉及连续相和离散相非稳态求解，为减少计算量和计算时间，计算域采用二维轴对称模型进行建模。图1中，x轴正向为射流流向，y轴为径向，z轴为光线透射方向，与x轴和y轴垂直。射流进口直径为D，外流进口直径为48.8D，流向长度为300D，出口直径为50D。

1.2 网格划分

计算域网格视图和射流孔附近局部放大图如图2所示，采用分块结构化网格对计算域进行空间离散，在射流出口附近进行局部加密处理，经网格无关解验证，取最佳网格数3×105。

图2 计算域网格Fig.2 Mesh of computational area

2 数值计算方法及验证

2.1 边界条件

计算域出口采用压力出口边界条件，出口压力为Pout，外流进口采用压力进口边界，外流进口与计算域出口的压比PRf为1.000 5，外流为稳定状态。射流进口采用压力进口边界，射流进口与计算域出口的压比PRJ分别为1.5、2、2.5、3、4，气溶胶粒子喷射流量MJ分别为0.02、0.04、0.06、0.10 kg/s。气溶胶粒子为石墨颗粒，颗粒密度2 250 kg/m3，定压比热为710 J/(kg·K)。考虑到计算流场中局部流速较高，气体按理想可压流体进行计算。湍流模型选择重整化群(RNG)湍动能-湍流耗散率(k-ε)模型，近壁面采用Scalable壁面函数处理。

2.2 求解控制

采用有限体积法对控制方程进行离散求解，动量方程、能量方程、湍动能方程和湍流耗散率方程均采用二阶迎风格式进行计算，压力项采用二阶格式进行计算。采用SIMPLEC算法对压力速度进行耦合计算。为保证计算结果满足收敛要求，将求解方程的标准化残差均设定为10-6。

2.3 离散相模拟

由于气溶胶颗粒的体积分数较小，满足离散相模型的计算要求，颗粒释放源为面源，释放位置为射流进口，释放方向垂直于射流进口面，时间步长为10-5，共计算516个时间步，释放流量根据计算工况不同进行调节。对连续相和离散相进行耦合求解，采用随机颗粒轨道模型进行颗粒追踪。

2.4 透射率计算方法

由Lambert-Beer定律可知，辐射参与介质的透射率计算公式为

τλ=e-kλcL

(1)

式(1)中：kλ为消光系数，m2/g，采用的石墨颗粒的红外消光系数为2 m2/g；c为烟幕浓度，g/m3；L为光线在介质层中的行程长度，m。

由于光线透射方向为z轴方向，故光线穿过气溶胶射流的行程长度L计算公式为

(2)

式(2)中：r为气溶胶射流横截面半径；y为光线穿过气溶胶射流的径向位置。

2.5 计算方法验证

为了验证选取的湍流模型与两相流计算等数值方法的可行性，对文献[14,23]中近地面烟幕扩散流场进行了数值模拟。对比了文献[14]中风速1.2 m/s，扩散时间90 s后的烟幕遮蔽有效区域，如图3(a)所示，对比可知，计算结果获得的低透射区域形态与文献结果相似，末端出现抬升现象，低透射区域长度与文献结果相差1.7%。对比了文献[23]中95 s 时烟幕扩散跨风图实验结果，由于文中未给出具体烟幕扩散区尺寸，无法进行定量对比，但从图3(b)可以看出，烟幕颗粒沿地面扩散一段距离后在尾部出现抬升现象，计算获得的烟幕粒子扩散分布与真实烟幕扩散分布规律一致，通过上述对比，证明了本文算法可行。

图3 验证结果对比Fig.3 Comparison of validation results

3 结果与分析

3.1 低透射区分布

图4为喷口下游射流静压分布规律， 压比PBJ=4，MJ=0.02 kg/s工况下气溶胶射流透射率小于0.15的低透射区[12]分布规律以及A区域和B区域的局部放大视图。由图4(a)可知，高速射流从喷口喷出，形成一系列膨胀波和压缩波，在膨胀波段，由于核心流向大气外侧膨胀，使得核心区的气溶胶粒子浓度降低，进而产生局部高透射率区域；如图4(b)放大区域A中两个红色箭头所示区域，该区域会在一定程度上降低气溶胶烟幕对红外辐射的遮蔽效果。随着气流流动过程中能量的不断衰减，射流下游膨胀波对气溶胶粒子浓度的影响逐渐降低。气溶胶烟幕低透射区呈类锥形，最大遮蔽长度约66D，射流上游的径向高度与射流喷口半径相当，射流下游存在局部扩散现象，如图4(b)放大区域B中所示。

图4 喷口下游流场分布Fig.4 Distribution of flow field downstream of nozzle

图5为不同喷射时刻的气溶胶烟幕低透射区分布，当t=0.002 58 s时，低透射区长度为64D，低透射区径向最大高度为4D，当t=0.005 16 s时，低透射区最大长度为88D，低透射区径向最大高度为7D，随着喷射时间延长一倍，低透射区最大长度增加37.5%，低透射区径向最大高度增加75%，在流向50D位置的扩散区域明显增加，但低透射区呈团状，气溶胶颗粒局部聚集，分布不均匀，存在高透射率空隙，不能对红外辐射形成完全遮挡，这是由于喷嘴喷出的气溶胶颗粒质量流量太小所致。

图5 不同时刻的低透射区Fig.5 Low transmission region at different times

3.2 气溶胶粒子喷射流量的影响

图6给出了t=0.005 16 s时刻的低透射区随气溶胶粒子喷射流量的变化规律，由图6可知，随着粒子喷射流量的增加，射流下游低透射率区覆盖范围显著增加，低透射区变得连续完整，低透射区沿轴向最大遮蔽距离逐渐增加，径向最大高度位置同样沿轴向向下游移动，粒子喷射流量对低透射区径向最大高度的影响相对较小。在低透射区范围一定的情况下，提高喷射粒子的质量流量可以显著提高气溶胶烟幕的遮蔽效果。

图6 低透射区变化规律Fig.6 Variation of low transmission region

图7给出了两个喷射时刻径向最大高度随气溶胶粒子喷射流量的变化规律，由图7可知，低透射区径向最大高度随气溶胶粒子喷射流量的增加而增加，当喷射流量不变时，随着喷射时间的延长，径向最大高度增加，增加幅度随喷射流量的增加而增加，当喷射流量为0.02 kg/s时，增加幅度为60%，当喷射流量为0.10 kg/s时，增加幅度为77%。在t=0.002 58 s时刻，径向最大高度随流量的增加增幅为24%，在t=0.005 16 s时刻，径向最大高度随流量的增加增幅为38%，径向高度的增加有利于扩大气溶胶烟幕的低透射区范围。

图7 径向最大高度变化规律Fig.7 Variation of radial maximum height

图8为径向最大高度轴向位置随气溶胶粒子喷射流量的变化规律，由图8可知，径向最大高度轴向位置随气溶胶粒子喷射流量的增加而增加，当喷射流量不变时，随着喷射时间的延长，径向最大高度轴向位置增加，增加幅度随喷射流量的增加有降低趋势，当喷射流量为0.02 kg/s时，增加幅度为47%，当喷射流量为0.10 kg/s时，增加幅度为36%。在t=0.002 58 s时刻，径向最大高度轴向位置随流量的增加增幅为37%，在t=0.005 16 s时刻，径向最大高度轴向位置随流量的增加增幅为27%，径向高度轴向位置向射流下游移动有利于扩大气溶胶烟幕的低透射区范围。

图8 径向最大高度轴向位置变化规律Fig.8 Variation of maximum radial height axial position

3.3 射流喷射压力的影响

图9给出了t=0.005 16 s时刻的低透射区随射流喷射压力的变化规律，由图9可知，随着射流喷射压力的增加，低透射区沿轴向最大遮蔽距离逐渐增加，径向最大高度位置沿轴向向下游移动，低透射区径向最大高度有增加趋势，喷射压力的增加对遮蔽区透射率和遮蔽区形态的影响相对较小，尽管射流喷射压力的增加能够一定程度上增加低透射区域，但增加的幅度相对有限，这主要是由于射流喷嘴为等截面喷嘴，当喷射压力达到一定值后，射流喷口达到临界流量，继续增加压比对射流下游的流场影响较小，此时若要增加下游遮蔽区的范围，只能通过改变喷口结构和尺寸实现，对于几何尺寸一定的喷口，存在最佳射流喷射压力。

图9 低透射区随射流喷射压力的变化规律Fig.9 Variation of low transmission region with jet pressure

图10给出了两个喷射时刻径向最大高度随射流喷射压力的变化规律，由图10可知，径向最大高度随射流喷射压力的增加而增加，当喷射压力不变时，随着喷射时间的延长，径向最大高度增加，研究压比范围内平均增幅为53%。在t=0.002 58 s时刻，径向最大高度随压比的增加增幅为41%，在t=0.005 16 s时刻，径向最大高度随压比的增加增幅为38%。

图10 径向最大高度变化规律Fig.10 Variation of radial maximum height

图11给出了两个喷射时刻轴向最大长度随射流喷射压力的变化规律，由图11可知，轴向最大长度随射流喷射压力的增加而增加，当喷射压力不变时，随着喷射时间的延长，轴向最大长度增加，研究压比范围内平均增幅为53%。在t=0.002 58 s时刻，当压比为4.0时有最大值64D，当压比为1.5时有最小值44D，轴向最大长度随压比的增加增幅为45%，在t=0.005 16 s时刻，当压比为4.0时有最大值93D，当压比为1.5时有最小值68D，轴向最大长度随射流喷射压力的增加增幅为37%。

图11 轴向最大长度变化规律Fig.11 Variation of maximum axial length

4 结论

研究了不同喷射条件对气溶胶烟幕释放效果的影响，将连续相流场、离散相颗粒流耦合，分析了射流喷射压力和气溶胶粒子喷射流量对红外辐射低透射区的影响规律，得到如下结论。

(1)高速射流从喷口喷出，形成膨胀波系，在膨胀波段，射流核心区的气溶胶粒子浓度降低，存在局部高透射率区域，遮蔽效果降低。

(2)气溶胶烟幕低透射区呈类锥形，射流上游的径向高度与射流喷口半径相当，射流下游存在局部扩散现象。随着喷射时间延长，低透射区最大长度和径向最大高度均增加，下游局部扩散区域明显增加。

(3)粒子喷射流量较小会导致下游局部扩散的低透射率区呈团状，存在高透射率空隙，不能对红外辐射形成完全遮挡。随着粒子喷射流量的增加，射流下游低透射率区覆盖范围显著增加，低透射区变得连续完整。

(4)低透射区径向最大高度随流量的增加增幅约38%，径向最大高度轴向位置增幅约37%，二者的增加均有利于扩大气溶胶烟幕的低透射区范围，在低透射区范围一定的情况下，提高喷射粒子的质量流量可以显著提高气溶胶烟幕的遮蔽效果。

(5)提高射流喷射压力可以增加低透射区遮蔽范围，在压比在1.5～4范围内，轴向最大长度随射流喷射压力的增加增幅为37%，径向最大高度随压比的增加增幅为38%，对于几何尺寸一定的喷口，存在最佳射流喷射压力。