0 引　言

大型柴油机由于其经济耐用性和低油耗的特点，是各国海军舰船的主要动力装置。由于柴油机的高输出功率，舰船使用的柴油机排出的尾气温度能高达 300 ℃以上，远远高于船体的其他部分，是全舰红外特征最明显的区域。因此，研究舰船排气系统的红外抑制手段对提升舰船红外隐身能力和红外对抗能力意义重大。

在船用柴油机排气红外抑制技术研究上，无论是国内还是国外均收获了一系列的研究成果^[1-2] 。其中红外抑制技术以舰船排气引射冷却技术的研究成果最为丰富，目前引射冷却装置已经广泛应用于各种舰船上。但是仅凭借排气引射应对现代红外探测手段是远远不足的。喷水降温方法是目前舰船红外抑制研究的重点，由于水的比热容很高采用喷淋水雾的方式可以大幅降低烟气的温度，从而降低排气系统整体的红外特征。国内学者对喷淋水雾的降温效果进行了一定研究^[3-4]，研究结果表明喷水降温的方法能够将温度降低至100℃以下，具备较好的红外抑制效果。但是喷水降温对红外辐射亮度的影响效果目前并未给出具体分析。

本文在喷水降温装置试验样机试验数据的基础上，利用Ansys Fluent软件数值仿真，还原了喷水降温装置实际工作状态下的流场和温度场。利用仿真得到的温度场数据对排气系统出口的红外辐射亮度进行计算，分析了喷水降温对红外辐射亮度的影响效果。

1 喷水降温流场数值模拟 1.1 流场仿真原理

对柴油机尾气在管道内的流动进行仿真属于三维流场计算的范畴，Ansys Fluent软件当中包含完备的计算模型，遵循基本的流场和传热控制方程组^[5]：

连续性方程

$ \frac{\partial \rho }{\partial t}+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left(\rho {u}_{i}\right)=0，$

动量方程

$ \begin{split}&\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho {u}_{i}\right)+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left(\rho {u}_{i}{u}_{j}\right)=-\frac{\partial P}{\partial {x}_{j}}+\frac{\partial }{\partial {x}_{j}}\left[\mu \left(\frac{\partial {u}_{i}}{\partial {x}_{j}}+\right.\right.\hfill\\ &\left.\left.{\partial {u}_{j}}{\partial {x}_{i}}-\frac{2}{3}{\delta }_{ij}\frac{\partial {u}_{l}}{\partial {x}_{l}}\right)\right]+\frac{\partial }{\partial {x}_{j}}\left(-\rho {u}_{i}'{u}_{j}'\right)，\end{split} $

能量方程

$ \frac{\partial }{\partial t}\left(\rho E\right) + \frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left[{u}_{i}\left(\rho E+p\right)\right] = \frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left({k}_{eff}\frac{\partial T}{\partial {x}_{i}} + {{u}_{i}\left({\tau }_{ij}\right)}_{eff}\right) + {S}_{h}，$

湍流模型采用Realizable k-ε模型。

湍动能 $ k $ 的输运方程

$\begin{split} &\frac{\partial \rho \epsilon }{\partial t}+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left(\rho {u}_{i}\epsilon \right)=\frac{\partial }{\partial {x}_{j}}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_{\epsilon }}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial k}{\partial {x}_{j}}\right]\times\\ &b+Gk+G-\rho \epsilon -{Y}_{m}+{S}_{k}\text{。}\end{split} $

湍动能耗散率 $ \epsilon $ 的输运方程

$\begin{split} &\frac{\partial \rho \kappa }{\partial t}+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left(\rho {u}_{i}\kappa \right)=\frac{\partial }{\partial {x}_{j}}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_{\epsilon }}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial {x}_{j}}\right]+\rho {C}_{1}S\epsilon -\hfill\\ &\rho {C}_{2}\frac{{\epsilon }^{2}}{k+\sqrt{\nu \epsilon }}+{C}_{1\epsilon }\frac{\epsilon }{k}{C}_{3}{G}_{b}+{S}_{\epsilon }。\end{split} $

其中， $ {C}_{1} $ =max $\left(0.43，\dfrac{\eta }{\eta +5}\right)$ ， $\eta =\dfrac{Sk}{\epsilon }$ ， $S=\sqrt{2{S}_{i}{S}_{j}}$ 。

湍流模型的模型常数为： $ {C}_{1e}= $ 1.44， $ {C}_{2}= $ 1.9， $ {\sigma }_{e}= $ 1.2， $ {\sigma }_{k}= $ 1.0^[6]。

该模型与其他k-ε模型相比，能够更好地模拟湍流的扩散，而且在模拟有边界层存在的情况下，具备良好的计算精度^[6]。

组分输运模型^[7]

$ \frac{\partial }{\partial t}\left(\rho {C}_{s}\right)+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left({\rho {C}_{s}u}_{i}\right)=\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left({D}_{s}\rho \frac{\partial {C}_{s}}{\partial {x}_{i}}\right)+{S}_{S}。$

其中， $ {D}_{s} $ 为组分 $ S $ 在混合气体中的扩散系数， $ {C}_{s} $ 为该混合气体的体积浓度， $ {S}_{S} $ 为源项。

柴油机工作时产生的尾气是一种成分非常复杂的混合物，对于使用燃油类燃料的舰船柴油机，其尾气经脱硫处理后会变成由CO₂，H₂O和CO等化学成分构成的混合气体。本文认定研究的柴油机工作时燃烧室内的燃油充分燃烧，所以尾气当中不含CO。

喷水工况下，计算这种含气-液两相的流动仿真采用离散相模型，该模型的具体实现公式可参照文献[8]。喷水装置工作时产生的雾化液滴的尺寸要远大于流体微团的尺寸，液滴在连续分布的混合气体当中视作离散颗粒，因此对于液滴颗粒需要脱离原有的坐标系对其流动与传热规律进行单独分析 ^[8]。

在喷水降温数值分析过程中，由于喷嘴结构导致的流场性能变化对于喷水降温装置的降温效果影响很小，因此采用DPM模型中的雾化喷嘴模型，不再考虑喷嘴的实际结构，只采用参数化喷嘴模型进行分析，能够简化喷水降温的分析过程^[8]。

由于舰船排气系统喷水降温的物理过程相对复杂，将气体与液滴离散颗粒两相放在一起计算十分耗时耗力，所以先分析混合气体的连续分布流场，待该流场计算结果完成之后，再考虑液滴颗粒与混合气体的相变换热。

1.2 算例参数设定及结果分析

管路直径为230 mm，混合气体质量流量为2 kg/s，温度为580 K，静压为430 Pa。喷水降温装置开启使用时尾气的出口目标平均温度不高于353 K。

喷水降温管段长为600 mm，直径为230 mm，主要由管体、螺旋喷嘴组件、偏转扇形喷嘴组件等部分组成。喷水降温管段的辅助喷嘴为偏转扇形喷嘴，共3只，沿管体周向均匀布置，每只辅助喷嘴之间的夹角为60°；主喷嘴为螺旋喷嘴，共1只，位于2只辅助喷嘴之间，与2只辅助喷嘴的夹角均为 30°，与另一只辅助喷嘴的夹角为 180°。螺旋形实心锥形喷嘴喷射雾化张角为120°。偏转扇形喷嘴喷射雾化张角为95°。螺旋形实心锥形喷嘴和偏转扇形喷嘴的直径都为2 mm，喷水降温管段工作时压力为0.28 MPa。2种喷嘴的雾化颗粒平均直径通过查阅文献[9-10]得出。

由于排气系统喷水管段到出口管段的直径是不变的，整个排气管道用均匀圆柱体来代替，采用ICEM CFD划分了该几何结构的网格。流场仿真采用结构化网格，对提升计算效率非常有益。喷水降温装置仿真计算采用的是压力求解器，由于液滴颗粒与混合气体分离计算，因此采用绝对速度项。流体流动类型的选定要根据物理量（如速度、压力、温度等）是否随时间变化来确定，本文的仿真在计算混合气体流动时采用定常流动（Steady），而有液滴注入的情况下要采用非定常流动（Transient）^[11]。由于存在温度与其余物理量耦合的情况，采用Couple算法计算。

喷水质量流量为0.84 kg/s，其中主喷嘴的流量为0.54 kg/s，辅助喷嘴的流量均为0.1 kg/s。仿真得到的管内流场温度分布如图1所示。

2 排气系统喷水降温装置试验验证

为验证仿真结果的可靠性，搭建试验台架对该喷水降温装置试验样机性能进行测试。试验管路结构示意图如图2所示，测量系统用于测量冷热态模拟试验台出口废气温度、压力和流量，冷却水泵流量、压力和进出口压差，喷水降温管段进出口温度、压力等参数的测量和显示。由于排气管段出口处的温度和压力测量实现难度较大，所以测温点和测压点选择分别在距离喷水管段出口处0.9 m和0.3 m的位置，为减少喷流对温度测量的影响，选择在截面贴近管壁的位置测量温度。

由表1可知，仿真得到的温度计算结果和试验数据之间误差仅为4.6 K，压力的误差仅为0.3 Pa，其温度和压力的误差百分比分别为1.3%和0.5%，说明喷水降温过程的仿真计算与试验结果的贴合程度很高，喷水降温装置工作时的流场仿真结果能够近似模拟真实的工作状态，为流动和传热分析提供基础。

3 排气系统喷水降温装置红外辐射计算 3.1 红外辐射近似计算方法

排气系统的尾气排出管路是一个被排出尾气持续加热的规则几何形腔体^[12-13]，于是把尾气排出管路看作一个黑体辐射源。利用管路出口的温度场和出口面积可以计算出其辐射亮度，实际工程应用里柴油机尾气管路出口的发射率定为0.9，即将其视为灰体，其温度分布遵循管路出口的温度场，辐射的有效面积为排气出口的面积。

首先用黑体辐射公式计算出圆盘在3～5 μm的辐射亮度:

$ L=\frac{\varepsilon }{\text{π} }{\int }_{3}^{5}\frac{{c}_{1}{\lambda }^{-5}}{1-\exp\left(\dfrac{{c}_{2}}{\lambda T}\right)}{\rm d}\lambda \text{。} $

灰体发射率 $\varepsilon$ =0.9，第一辐射常数c₁= $3.7418 \times {10^4}\;{\rm W} \cdot {\text μ}{{\rm m}^4}/{{\rm{cm}}^2}$ ，第二辐射常数c₂= $ 1.438 \times {10^4}\;{\text{μm}} \cdot {\rm K} $ 。

排气出口处法线方向的辐射强度为：

$ I=\int L{\rm d}A 。$

3.2 计算结果分析

未加装喷水降温装置的情况下尾气温度为T=580 K，出口圆盘的面积A=416 cm²；喷水过后出口的开尔文温度为T=350 K。

表2的计算表明，喷水状态下红外辐射亮度和红外辐射强度相较于未喷水条件下均出现大幅降低，降幅比例可达98%，说明喷水降温方法能有效减少排气系统的红外辐射特性，从而降低舰船整体的红外辐射特性，对红外抑制发展具备指导意义。

4 结　语

本文利用Ansys Fluent软件对喷水降温管段工作时的流场进行仿真，得出了喷水状态下的流场分布，并采用试验验证，流场仿真温度和总压计算结果和试验数据的误差为1.3%和0.5%。使用该仿真得到的温度场，对排气出口的红外辐射亮度和尾法线方向的红外辐射强度进行计算，结果表明喷水前后尾管红外辐射亮度和红外辐射强度的降幅为达到98%，证明喷水降温装置具备良好的红外抑制效果。