低发射率材料涂敷方案对排气系统红外特性的影响

陈瀚赜，尚守堂，吉洪湖，邓洪伟，卢浩浩

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016）

0 引言

航空发动机排气系统红外辐射是作战飞行器红外辐射的主要来源，其红外辐射集中于3～5 μm波段和8～14 μm波段。降低这2个波段的红外辐射强度对于提高飞行器生存力有着重要作用[1-2]。

航空发动机排气系统红外抑制技术分为结构隐身技术与材料隐身技术。结构隐身技术包括二元喷管[3-4]、S弯喷管[5]、高温部件冷却[6-8]等措施，需对发动机部件结构进行较大调整，会对气动性能带来一定影响，工程化应用难度较大；材料隐身技术主要是将低发射率材料涂敷在发动机排气系统部件表面，通过降低发射率来抑制高温部件红外辐射强度，无需改变发动机结构，是一种易于工程化应用的发动机红外抑制手段。孟雪等[9]对低发射率隐身涂层的性能优化进行了研究；王自荣等[10]对红外隐身涂料的平均发射率进行了测试；崔杰[11]对低发射率材料在动力系统红外隐身中的应用进行了研究；李艳红等[12]对影响红外隐身涂层发射率的主要因素进行了分析；陈俊等[13]采用台架试验进行了采用低发射率涂层的发动排气系统红外特征研究；黄伟等[14]针对发射率对发动机红外辐射特性的影响规律进行了研究；刘小雨等[15]针对降低壁面发射率对涡扇发动机红外辐射特性的影响进行了研究。在上述研究中，对发动机排气系统低发射率材料涂敷方案的研究较少，可供参考的文献也不多见。

本文建立了具有中心锥、波瓣混合器、火焰稳定器组件、轴对称喷管的航空发动机排气系统模型，拟定4种低发射率材料涂敷方案，将发射率分别设置为0.3与0.1，针对低发射率材料涂敷方案对发动机排气系统红外特性的影响进行数值仿真。

1 物理模型

发动机排气系统的几何模型如图1所示。包括内涵进口截面、外涵进口截面、中心锥、波瓣混合器、火焰稳定器、传焰槽、加力筒体与轴对称喷管。由于内涵进口截面上游是高速旋转的低压涡轮部件，因此将内涵进口截面辐射特征近似等效为低压涡轮部件辐射特征，以减少计算量和计算时间。

图1 排气系统几何模型

由于发动机排气系统模型结构对称，为减小计算量，采用1/2模型进行计算。设定轴对称喷管出口直径为D，整个计算域长、宽分别为20D、8D，计算域形状为1/2圆柱体，如图2所示。

图2 计算域设置

发动机排气系统红外辐射特性分2步计算：进行流场计算，获取喷流的温度场、压力场、组分质量分数分布以及排气系统腔体内部高温固体壁面温度的分布；再进行红外辐射强度计算，获得排气系统的红外辐射特性。

2 计算方法

2.1 流场计算

航空发动机后向排气系统几何结构非常复杂，故流场网格采用非结构化网格，在温度梯度变化较大的排气系统内流域与外流核心区进行网格加密。网格总数约为750万，经网格无关性验证，满足要求。

流场计算使用3维流场仿真软件，采用耦合隐式求解器，对连续方程、动量方程、能量方程采用1阶迎风差分格式。湍流模型使用SST K-ω模型，并采用组分输运模型与DO模型分别对燃气组分与辐射对壁面传热影响进行计算。

内、外涵进口设置为压力入口；外流域边界设置为压力出口。

2.2 红外计算

在红外辐射强度计算时，排气系统壁面的网格均采用三角形的面网格，并将通过流场计算得到的固体壁面温度场插值到三角形网格中，红外计算网格如图3所示。

图3 红外计算网格

红外辐射计算采用反向蒙特卡洛法[16-18]，该方法计算结果与试验数据误差在10%以内[19]。所有未涂敷低发射率材料的固体壁面发射率设置为0.9，固体壁面类型为灰体壁面；计算波段为3~5 μm与8~14 μm波段；计算水平探测面0°~90°范围内的红外辐射强度，探测点间隔为5°，探测点布置方式如图4所示。需要说明，本文的计算结果未考虑大气的吸收。

图4 红外辐射计算探测点

3 材料涂敷方案

在发动机排气系统中，内涵进口截面（代替末级涡轮叶片）、中心锥、火焰稳定器内圈和中圈与传焰槽的温度最高，红外辐射强度也较大；火焰稳定器外圈、加力筒体及喷管由于与外涵冷气直接接触，自身温度相对较低；波瓣混合器内壁面与高温燃气接触，外壁面与外涵冷空气接触，温度介于二者之间。

低发射率材料涂敷方案见表1。共拟定4种材料涂敷方案。方案1涂敷区域最大；方案2是在温度较高的部位涂敷低发射率材料；方案3在除火焰稳定器与传焰槽之外的部位涂敷低发射率材料；方案4在方案2的基础上，又在喷管涂敷低发射率材料。

表1 不同涂覆方案涂覆位置

4 计算结果

4.1 低发射率材料对红外辐射强度的影响

当发射率为0.3时，材料涂敷对排气系统3～5 μm和8～14 μm波段红外辐射强度的影响如图5所示。纵坐标I/Imax表示相对红外辐射强度，Imax为该部件几种方案有效辐射强度的最大值。从图5（a）中可见，对于3～5 μm波段，方案2与方案4的红外抑制效果较为接近，效果最好。在探测角为0°～25°时，2个方案的红外辐射强度均小于方案0（未涂敷低发射率材料的方案）的，在辐射强度最大值处，2种方案对红外抑制效果为37%；在探测角为25°之后，方案4的红外辐射强度略大于方案2的。方案1的涂敷区域最大，但其红外抑制效果并非最优，在探测角为0°～15°时，方案1的红外辐射强度小于方案0的，其对辐射强度最大值的抑制效果为32%；在探测角为15°以后，该方案的红外辐射强度大于方案0的。方案3未在火焰稳定器与传焰槽涂敷低发射率材料，在探测角为0°～15°内，其红外抑制效果在几种涂敷方案中最差，对红外辐射强度最大值的抑制效果为21%。而在探测角为15°以后，其红外辐射强度大于其它方案的。

图5 低发射率材料对红外辐射强度影响（发射率为0.3）

从图5（b）中可见，对于8～14 μm波段，方案4的红外抑制效果最优，在探测角为0°～90°时，红外辐射强度均小于方案0的，其对最大值的抑制效果为25%。对于方案1，在探测角为23°～30°时，其红外辐射强度略大于方案0的；在其余探测角度下，其红外辐射强度均小于方案0的，该方案对辐射强度最大值的抑制效果为23%。对于方案2，在探测角为0°～25°时，其红外辐射强度小于方案0的，在红外辐射强度最大值处，其抑制效果为20%；在探测角为25°之后，方案2的红外辐射强度与方案0的基本一致。对于方案3，在探测角为15°～35°时，其红外辐射强度大于方案0的；在其余探测角时，其红外辐射强度均小于方案0的，对红外辐射最大值的抑制效果为15%。

在发射率为0.1时，材料涂敷对3～5 μm和8～14 μm波段红外辐射强度的影响如图6所示。从图中可见，同一种材料涂敷方案在2种发射率下，其红外辐射强度分布规律基本相同，在探测角为0°～25°时，随着发射率的降低，各方案在2个波段范围内的红外抑制效果提高；在探测角为25°～90°时，方案1与方案3在2个波段的红外辐射强度均有所增大。

图6 低发射率材料对红外辐射强度影响（发射率为0.1）

在3～5 μm与8～14 μm波段，发射率变化对不同涂敷方案红外辐射强度最大值处的抑制效果见表2、3。从表中可见，降低发射率会进一步提升红外辐射强度最大值处的抑制效果，且对3～5 μm波段的红外抑制效果要优于8～14 μm波段的。

表2 3～5 μm波段红外辐射强度最大值降幅%

表3 8～14 μm波段红外辐射强度最大值降幅%

4.2 低发射率材料对部件红外辐射强度的影响

固体部件的有效辐射强度还可进一步分为自身辐射强度和反射辐射强度，这2部分之和即为部件的有效辐射强度。前者是自身向外发射的红外辐射能量，后者是外来入射辐射引起其向外反射的红外辐射能量。低发射率材料（发射率为0.3）对加力筒体前段、加力筒体后段与喷管在3～5 μm波段的有效辐射强度、反射辐射强度与自身辐射强度的影响如图7～9所示。

图7 低发射率材料对加力筒体前段3～5 μm波段红外辐射强度的影响

从图7中可见，加力筒体前段红外辐射影响探测范围为5°～40°，有效辐射强度最大值在探测角为20°处，方案1与方案3在该部位涂敷低发射率材料，在探测角为5°～40°时，其有效辐射强度有所增大。从图7（b）中可见，方案1与方案3的反射辐射强度占该部件有效辐射强度的90%以上。而对于未在该部位涂敷低发射率材料的几种方案，其自身辐射强度占有效辐射强度的60%以上。

从图8中可见，加力筒体后段红外辐射强度影响探测范围为10°～55°，影响范围与加力筒体前段相比有所增加，其有效辐射强度最大值在探测角为35°处，在该部位涂敷低发射率材料，其变化规律与加力筒体前段的类似，其有效辐射强度在探测角为10°～55°时均有所增大。

图8 低发射率材料对加力筒体后段3～5 μm波段红外辐射强度的影响

从图9中可见，喷管红外辐射强度的影响探测范围为0°～90°，其有效辐射强度最大值在探测角为50°处，在该部位涂敷低发射率材料，在3～5 μm波段，其有效辐射强度在探测角为0°～90°时均有所增大。

图9 低发射率材料对喷管3～5 μm波段红外辐射强度的影响

加力筒体前段、后段与喷管在8～14 μm波段的有效辐射强度如图10～12所示。从图10、11中可见，在8～14 μm波段，加力筒体前段、后段的有效辐射强度变化规律与3～5 μm波段的规律一致，随着该部位发射率的降低，其有效辐射强度反而增大。

图10 低发射率材料对加力筒体前段8～14 μm波段有效辐射强的度影响

图11 低发射率材料对加力筒体后段8～14 μm波段有效辐射强度的影响

从图12中可见，在8～14 μm波段，喷管的有效辐射强度变化规律与3～5 μm波段的规律相反，其有效辐射强度随着发射率的降低而减小。

图12 低发射率材料对喷管8～14 μm波段有效辐射强度的影响

5 结论

（1）在本文研究的4种低发射率材料涂敷方案中，综合3～5 μm和8～14 μm波段的红外抑制效果，在内涵进口截面、中心锥、火焰稳定器内圈、火焰稳定器中圈、传焰槽、喷管涂敷低发射率材料的方案4为红外抑制效果最优的方案。

（2）低发射率材料对3～5 μm波段的红外抑制效果好于8～14 μm波段的。当发射率为0.3时，在3～5 μm和8～14 μm波段，红外辐射强度最大值降幅分别为37%与25%；当发射率为0.1时，在3～5 μm和8～14 μm波段，红外辐射强度最大值降幅分别为56%与37%。

（3）在本文研究条件下，在加力筒体前段、后段涂敷低发射率材料，在3～5 μm和8～14 μm波段，其反射辐射强度的增幅已经大于自身辐射强度的降幅，导致其有效辐射强度反而增大；而在喷管涂敷低发射率材料，在3～5 μm波段其有效辐射强度有所增大，在8～14 μm波段其反射辐射强度的增幅小于自身辐射强度的降幅，导致其有效辐射强度有所减小。