0 引　言

随着红外探测技术和红外制导系统的迅速发展^[1-2]，红外辐射特性的控制已经是水面舰艇防御的重要课题^[3]，引射所用装置具有结构简单、方便使用、作用结果好等优点^[4]，因此船舶的排气系统中广泛使用引射器降低排气温度。

张尤俊等^[5]对混合段入口与喷管出口面积之比进行研究，结果表明混合段入口和喷管出口面积之比越小，排气装置的压力损失和引射系数就越小。Maqsood^[6]对圆形弯曲混合管结构进行了数值模拟和分析，发现混合管弯曲角度增大会使装置引射系数和阻力损失先减小。

吴国强^[7]对排气蜗壳的气动性能进行了研究，提出了相关改进方案。程稳^[8]对S弯喷管的红外特性计算方法以及其红外辐射机理进行了研究分析，开发了相关计算程序，对S弯喷管的后续设计优化提供了参考。

李雨轩等^[9]建立了适合于剧烈变化条件的多尺度多线组宽带k分布模型。李波等^[10]得出了最佳的安装角度，对百叶窗的设计安装提供参考。孙磊^[11]发现通过增加隔热层厚度和降低隔热材料导热系数能使得壳体最高温度降低，为排气装置防热设计提供了参考。

本文以某型排气装置为研究对象，通过数值模拟的方法研究各工况排气装置性能，分析各结构参数对排气装置性能影响，从而找出最佳的优化方法来提升排气装置整体性能，为排气装置设计提供参考。

1 排气引射器介绍

引射器相比机械增压设备结构简单可靠^{[12 - 14]}，广泛应用在工业、航空航天和船舶等领域^[15]。图1为引射器模型简图，其工作原理为利用高速流体（工作流体）的动能来引射、带动并混合另一种相对较低速或较低压的流体（引射流体），最终形成一个具有中间压力的混合流体排出。船舶引射器可以利用低温的引射流体来降低工作流体的温度，以降低排气温度，达到红外抑制的效果。

引射器的评价指标主要有引射系数、总压损失、混合度、进出口温度比等。

引射系数能反映引射器引射性能强弱^[16]，计算式为：

$ \eta =\frac{{M}_{S}}{{M}_{P}} 。$

(1)

式中：$ {{M}}_{{S}} $为引射流体的质量流量，kg/s；$ {{M}}_{{P}} $为工作流体的质量流量表示，kg/s。

总压损失为主流流体的总压与混合流体的总压之差。计算式为：

$ \Delta P={P}_{D}-P_{P}^{*} 。$

(2)

式中：$ {P}_{{P}}^{{*}} $为主流流体总压，Pa；$ {{P}}_{{D}} $为混合流体总压，Pa。

混合度体现了经引射器处理后流体流速的均匀程度。计算式为^[17]：

$ \varepsilon =\frac{{v}_{\rm max }}{{v}_{{m}}}。$

(3)

式中：$ v{_{\rm max}} $为出口截面最大速度，m/s；$ {{v}}_{{m}} $为出口截面平均速度，m/s。

进出口温度比：体现排气系统对工作流体温度降低的能力，计算式为：

$ \alpha =\frac{T_{\mathrm{{ave}}}}{T_{P}}。$

(4)

式中：$ {T_{\mathrm{{ave}}}} $为出口平均温度，K；$ {T_{P}} $为工作流体进口温度，K。

2 数值模拟方案 2.1 算法验证

在对排气系统进行数值模拟前，先对计算方法进行验证，所用的计算参数来自于Asim Maqsood^[6]的相关研究。

保持边界条件，改变湍流模型，以文献中的实验数据为基准得到不同湍流模型数值模拟结果的相对误差，计算结果如表1所示。

可以看出，引射系数相对误差最小的湍流模型为Standard k-$ \varepsilon$ 湍流模型，后续研究选定Standard k-$ \varepsilon $湍流模型。

2.2 计算模型

本文以某型排气装置为研究对象，该模型几何结构参数如表2所示，模型如图2所示。发动机排出的高速高温工作流体通过自身动能在引射位置来引射并带动混合常温的空气，最终形成中温的混合流体排出，降低了排气温度，减小了红外辐射。

网格质量会极大影响最终结果的准确性^[18]，本文选择能用于复杂模型的非结构化网格进行网格划分，研究模型网格划分如图3所示。

利用多孔跳跃边界条件^[19]进行数值模拟，进气滤器阻力特性可以表示为$ {\Delta P=}{1.922v}^{2}{+0.591v} $。边界条件设置如下：主流入口为质量流量入口，给定主流流量为82.5 kg/s，总温为773.15 K；次流入口为压力入口，温度300 K；混合出口为压力出口，温度300 K；排气室窗口为压力入口，温度300 K；所有壁面均为绝热无滑移壁面。

进行网格无关性验证^[18]，得到不同数量的网格的验证模型性能参数如表3所示，244万网格与170万网格的引射系数、总压损失、混合度相对误差较小，分别为0.2%、0.4%和0.6%。综合考虑后，数值模拟工作使用170万网格数网格进行。

3 数值模拟结果分析 3.1 不同工况下性能分析

为了能更完善的研究排气装置在实际工作情况下的性能，分别选定4个不同工况条件进行数值模拟，该型号排气装置不同工况条件下主流流体入口边界条件参数如表4所示，其余边界条件与上文相同。

对排气装置进行数值模拟计算后得到的不同工况条件下性能参数如表5所示。

可以看出，随着工况的降低，引射系数逐渐降低，总压损失降低，进出口温比增加。1.0工况和0.29工况相比，引射系数相差0.06，进出口温比相差0.033。因此当该排气装置处于1.0工况条件时，排气装置引射性能最好，引射系数为1.39，降低主流流体温度能力最强，进出口温比为0.651。

3.2 主喷管直径对排气装置性能的影响

仅改变主喷管直径。原模型直径为1330 mm，记为1−0，各模型按主喷管直径降序记为1−1至1−3，分别为1230、1130、1030 mm。

数值模拟得到结果如表6所示，随着主喷管直径的降低，排气装置的引射系数提升，最大提升0.63，混合度降低，最大降低0.22，装进出口温度比下降，最大下降0.059，在引射能力的提升上，但在引射系数提升的同时总压损失提升，装置内部流通性能降低，会对排气装置前端动力装置性能产生影响。

图4为各喷管直径模型主喷管纵剖面速度云图和排气系统出口温度云图。分析速度云图可以看出，在主喷管出口处具有最大速度，随着主喷管直径的不断降低，主流流体喷出主喷管的速度不断提高；分析出口温度云图，可以看出在排气装置出口中心处的温度最大，温度呈现环状向外逐渐降低，随着主喷管直径的不断降低，可以看出出口温度不断降低，温度分布情况不变，排气装置降温性能得到提升。

3.3 次级喷管面积对排气装置性能的影响

仅改变次级喷管面积，研究该结构参数对排气装置性能的影响，原模型多级引射器进口面积为0.636 $ {\text{m}}^{\text{2}} $，记为模型2−0，模型面积按降序记为模型2−1至模型2−3，分别为0.567、0.502、0.441 m²。

表7为不同次级喷管面积模型性能参数，可以看出随着次级喷管面积的不断降低，排气装置的引射系数逐渐降低，最高降低0.15，混合度持续提高，最高提高0.5，排气系统的总压损失增加，最高增加270.3。由以上变化可以看出，次级喷管面积的降低在引射能力，总压损失和混合度这三方面均会产生不利影响。

3.4 多级引射器级数对排气引射器的影响

仅改变多级引射器级间距，研究该结构对排气装置性能的影响。原模型级间距为400 mm，记为模型3−0，模型级间距按升序记为模型3−1至模型3−3，级间距分别为450、500、550 mm。

数值模拟结果如表8所示，可以看出随着引射器级间距的增加，排气装置的引射系数提升，混合度先增加后降低。进出口温度比下降，总压损失先降低后增加，整体变化不大；多级引射器级间距的增加能提升排气装置引射能力，降低进出口温度比，且对混合度和总压损失的影响不明显。

图5为各模型速度和温度云图。分析速度云图，可以看出次级喷管出口处具有最大速度，随着多级引射器间距的增加，混合流体与海洋大气掺混程度加强。分析出口温度云图，在排气装置出口中心处温度最大，呈现环状向外速度降低，随着多级引射器间距的增加，可以看出出口中心温度不断降低，排气装置降温性能提高。

4 结　语

1）随着工况的增加，排气装置引射系数、进出口温度比和总压损失增加，1.0工况和0.29工况相比，引射系数相差0.06，进出口温比相差0.033。表明随着工况的增加，排气装置的引射能力和降温能力提高，同时阻力损失提高。

2）随着主喷管直径的降低，排气装置的引射系数最大提升0.63，混合度最大降低0.22，装进出口温度比最大下降0.059，在引射系数提升的同时总压损失也提升，在设计主喷管直径时需要权衡引射系数和总压损失的影响。

3） 随着次级喷管面积的不断降低，排气装置的引射系数最高降低0.15，混合度最高提高0.5，排气系统的总压损失最高增加270.3。可以看出次级喷管面积的降低对引射能力，总压损失和混合度有不利影响，在设计排气系统的次级喷管时可以考虑提高次级喷管面积。

4） 随着引射器级间距的增加，排气装置的引射系数最大提升0.11，混合度先增加后降低，进出口温度比最大下降0.018，总压损失整体变化不大，多级引射器级间距的增加能提升排气装置的引射能力，降低进出口温度比，且在混合度和总压损失方面的影响不明显。