柴油機水下排氣紅外抑制仿真及試驗研究

唐斯密，李銑鑌

海軍研究院，北京100161

0 引 言

在現(xiàn)代艦艇設(shè)計中，隱身性能越來越受到重視。在水面艦艇柴油機排氣的紅外抑制措施方面，國內(nèi)外開展了一系列研究，一些紅外抑制技術(shù)也已應(yīng)用于各型艦艇［1-6］。而潛艇在通氣管航態(tài)下需要浮出水面進行充電，此時柴油機排氣口距離水面位置近，排氣溫度高、流量大，極易在海面形成大范圍的溫度差而被紅外探測裝備偵查到。在潛艇的柴油機紅外抑制技術(shù)方面，雖然也有不少學(xué)者進行了研究，但仍處于初步研究階段［7-12］。

本文將針對排氣總管煙氣溫度過高的問題，設(shè)計兩級降溫措施：一是在排氣總管中內(nèi)置噴淋水霧系統(tǒng)，利用水的汽化潛熱，對高溫?zé)煔膺M行初步冷卻；二是通過排氣總管末端的小孔排氣，將大股煙氣分散排出，增加氣體與海水的熱交換，從而將煙氣溫度盡量擴散至海水中。為了驗證設(shè)計的正確性，建立仿真模型并開展計算，然后根據(jù)計算結(jié)果搭建柴油機水下排氣系統(tǒng)模型，并使用紅外熱像儀及溫度計測量不同狀態(tài)下的水面紅外、水下溫度及排氣管背壓等數(shù)據(jù)。

1 建模及仿真

柴油機排氣的物理模型參數(shù)如下：噴管直徑100 mm，高溫氣體流速10 m/s、氣體溫度350℃（本文將燃氣近似為空氣處理）；噴管放置于水面以下0.5 m處，水流速度0.1 m/s，水溫為常溫27℃，水流方向與噴氣方向一致。仿真計算的水面溫度分布如圖1所示。

圖1 柴油機水下排氣模型Fig.1 The model of diesel engine under water

對圖1（b）所示模型，首先模擬排氣管內(nèi)部噴淋裝置對高溫?zé)煔獾睦鋮s效果。在模擬過程中，對噴嘴流量從0.01～0.03 kg/s變化、噴霧平均粒徑為30和50 μm的工況進行了模擬。表1給出了模擬所得不同排氣管出口面的平均溫度。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)噴嘴流量為0.03 kg/s時，能夠?qū)?50℃的高溫氣流冷卻到60℃左右。

表1 不同流量和噴射粒子下排氣管的出口溫度Table 1 The outlet temperature with different flow rates and particle diameters

在噴嘴流量足夠的情況下，可以充分發(fā)揮汽化潛熱的作用，將排氣的溫度大大降低。而粒子直徑越小，越容易蒸發(fā)，對增加冷卻效果有積極的影響。由模擬可知，管內(nèi)高溫氣流通過噴水降溫，當(dāng)流速從進口的10 m/s降到出口的6.27 m/s，溫度從進口的350℃降到出口的60℃左右時，出口截面上的相對濕度約100%。通過噴霧降溫過程，高溫氣流變成了濕氣流動。因此，通過以上仿真，可將噴嘴流量選擇為0.03 kg/s。噴霧平均粒徑越小，冷卻效果越好，但越小的粒徑在工程應(yīng)用時對增壓泵的要求也越高，且通過仿真對比，在0.03 kg/s流量下，30 μm與50 μm粒徑的冷卻效果相當(dāng)，因此選擇噴霧粒徑為50 μm。圖2所示為柴油機水下直接排放時與紅外抑制后的仿真對比圖。

圖2 柴油機水下排氣仿真結(jié)果對比Fig.2 The comparison of simulation results when diesel engine exhaust under water on different conditions

由圖2所示的仿真結(jié)果可知：如果不對水下排氣進行控制，高溫排氣極易浮升至水面并散發(fā)到空氣中，而經(jīng)紅外抑制后，除排氣總管的溫度較高外，其他部分的溫度基本保持在穩(wěn)定狀態(tài)；水下排氣會在水面造成浪花，水面不可能保持水平狀態(tài)，為統(tǒng)一測量標準，通過設(shè)置水平面溫度監(jiān)控，在紅外抑制后，水平面最高溫度可下降約300℃，基本接近原始環(huán)境溫度。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計的紅外抑制裝置可極大地改善水下排氣的紅外輻射問題。

2 試驗系統(tǒng)

根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計了如圖3所示的試驗系統(tǒng)。試驗裝置由循環(huán)水槽、循環(huán)水泵、柴油機排氣模擬器、排氣管分流裝置、水下排氣管、流量調(diào)節(jié)閥門以及紅外抑制裝置（噴淋系統(tǒng)和小孔排氣裝置）組成。柴油機模擬器排放出指定溫度的高溫氣體，氣體流入一個三通閥后分為2個走向，一端排向水下排氣總管，另一端排放至大氣，通過調(diào)節(jié)排氣閥門的大小，使水下排氣流量達到指定值。在水下排氣總管中內(nèi)置水霧噴淋裝置，該噴淋裝置由專門的噴射泵控制，以使噴射流量達到設(shè)定的要求。為模擬潛艇在水下的運動，水槽采用循環(huán)水泵，以使水在水槽內(nèi)具備一定的流速。

圖3 試驗方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of experiment scheme

試驗參數(shù)與前期的仿真模型參數(shù)保持一致，如下所示：

1）相對水流速度：0.2 m/s；

2）水的溫度：27.3℃；

3）柴油機排氣噴管直徑：100 mm；

4）柴油機排氣速度及溫度：10 m/s，350℃：

5）柴油機排氣管中心距離水面深度：0.5 m；

6）內(nèi)置噴嘴參數(shù)要求：水壓7.5 kg/cm2，流量0.03 kg/s；

7）排氣管末端小孔設(shè)計參數(shù)：2 400個直徑2 mm的小孔。

試驗裝置總圖如圖4所示。

圖4 試驗裝置Fig.4 The experiment setup

3 測試設(shè)備

由于柴油機對背壓的要求較高，為了驗證紅外抑制裝置對柴油機的正常工作無影響，在排氣總管中設(shè)置了壓力傳感器，以檢測各種狀態(tài)下背壓的變化情況。采用的安捷倫溫度測量系統(tǒng)在排氣管內(nèi)有2個測量點：一是排氣管內(nèi)部噴嘴前；二是排氣管內(nèi)部噴嘴后。第1個溫度傳感器主要用于監(jiān)測輸入的氣體溫度是否在額定值內(nèi)，后面一個溫度傳感器用于檢測汽化潛熱發(fā)揮作用后的廢氣溫度變化。同時，采用紅外測量系統(tǒng)作為此次試驗的水面紅外監(jiān)測手段?？紤]到測量對象的溫度較高，紅外測量系統(tǒng)采用中波Image IR 8325型熱像儀，如圖5所示。

圖5 紅外測試系統(tǒng)Fig.5 The infrared data record system

4 試驗結(jié)果與分析

為了驗證兩級冷卻系統(tǒng)對柴油機背壓的影響，對以下4種狀態(tài)時的管道壓力進行了測量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同狀態(tài)下排氣管壓力值Table 2 The pressure in the exhaust pipe under different conditions

當(dāng)排氣管內(nèi)置的噴淋裝置打開后，普通排氣管和小孔管狀態(tài)下的背壓均有一定程度的下降，這是因為氣體受冷后體積變小，但變化不明顯。在普通排氣管和小孔管狀態(tài)下，后者的開口面積雖然比前者的大，但小孔會有附加阻力損失，且根據(jù)觀察，部分小孔并未參與水下排氣。小孔排氣會在一定程度上增加阻力損失，但若開口設(shè)計得合理，增加的比例很小，則對背壓幾乎沒有太大影響。

為了分析兩級紅外冷卻系統(tǒng)的紅外抑制效果，在2種工況下對水槽內(nèi)水面的紅外輻射強度進行了數(shù)據(jù)采集：1）柴油機高溫排氣直接排放于水中（常規(guī)排氣）；2）柴油機高溫排氣經(jīng)兩級冷卻后排放至水中（紅外抑制）。這2種工況下的水面紅外熱像圖如圖6所示。

圖6 紅外抑制前、后水槽內(nèi)的高溫排氣紅外熱像圖Fig.6 High temperature exhaust infrared image in the tank before and after infrared signature suppression

對比圖6（a）和圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)：圖6（a）中的紅外輻射非常強烈，而且熱氣在水下是以大股氣體的形式直接浮升至水面，造成水面的浪花噴射較高；而圖6（b）中由于小孔排氣將氣體分成了多個小股氣流，減弱了其浮升速度，增加了熱交換，故水面情況較為緩和，基本消除了水面紅外特征。將圖6（a）和圖6（b）中的高溫部分提取并進行紅外分析，得到紅外抑制前、后的紅外輻射亮度如表3所示。

表3 不同工況下水面紅外輻射亮度對比Table 3 Comparison of infrared radiation brightness of water surface under different conditions

表3所示結(jié)果表明：高溫排氣經(jīng)兩級冷卻后，3～5 μm的輻射亮度降幅很大，最大輻射亮度從50.85 W/m2降到了6.02 W/m2，平均輻射亮度從17.36 W/m2降到了5.86 W/m2，最大輻射亮度降低約90%，達到了抑制強紅外輻射源的目的；在兩級冷卻作用下，最大輻射亮度與平均輻射亮度基本相當(dāng)，說明紅外抑制后水面沒有了明顯的紅外“亮點”。

為進一步證明內(nèi)置噴淋裝置和小孔排氣的降溫作用，在水池中排氣管后的上方安裝了溫度傳感器陣列，共計3排，每排布置8個傳感器，具體位置如圖7所示。分別測量以下3種狀態(tài)下的水下溫度：

1）狀態(tài)1，打開內(nèi)置噴淋系統(tǒng)，柴油機排氣經(jīng)過噴淋和小孔兩級冷卻；

2）狀態(tài)2，關(guān)閉內(nèi)置噴淋系統(tǒng)，僅通過小孔排氣進行紅外抑制；

3）狀態(tài)3，關(guān)閉內(nèi)置噴淋系統(tǒng)，拆除小孔排氣管，將熱氣在水下直接排放。

圖7 溫度傳感器布置圖Fig.7 The location of temperature sensor

對比圖8中的3幅圖可以看出，雖然小孔是均勻排列的，但是很明顯，在狀態(tài)1和狀態(tài)2下，x，y，z序列傳感器的高溫都集中在排氣管的前段（靠近排氣口端）和中段，后段（遠離排氣口端）溫度通常較低。這是因為小孔排氣裝置在排放氣體時，大部分氣體從前段的小孔排放了出來，流經(jīng)后段小孔的氣體較少。由圖8（a）可知，加裝小孔排氣和內(nèi)置噴淋系統(tǒng)后，接近水面的溫度大幅降低，平均溫度約為28.6℃，已經(jīng)接近于環(huán)境水溫27.3℃；在未內(nèi)置噴淋系統(tǒng)的情況下，雖然溫度也大幅降低，但仍然比環(huán)境溫度約高5℃，故仍然可以在水面形成較為強烈的局部紅外輻射。當(dāng)未采取任何紅外控制措施，高溫氣體直接從排氣管排出時，在水面附近形成了強烈的熱源，故在水面形成了強烈的紅外輻射，這與圖6（a）所示的紅外測量結(jié)果一致。

圖8 溫度傳感器的溫度圖Fig.8 Temperature diagram of temperature sensor

由圖8可知，無論哪種排放方式，高溫在局部區(qū)域都比較明顯，主要集中在前段部分，后段部分由于水流的摻混以及排放量較少，與環(huán)境水溫相差不大。由于水下測量環(huán)境復(fù)雜，不僅有水還有高溫氣體，故溫度傳感器的測量數(shù)據(jù)有波動。圖8所示的數(shù)據(jù)雖然不是特別準確，但仍可對紅外抑制措施進行定性分析，即相比水下廢氣直接排放方法，采用兩級冷卻排氣措施之后，水面紅外局部輻射大幅降低。

5 結(jié) 語

本文通過仿真，驗證了兩級冷卻的可行性，并確定了試驗參數(shù)。通過對比試驗，發(fā)現(xiàn)加裝紅外抑制裝置后，水槽內(nèi)水面紅外輻射亮度最大可減少約90%，充分驗證了紅外抑制裝置的有效性。排氣管加裝紅外抑制裝置后，發(fā)現(xiàn)柴油機的背壓變化較小，說明小孔排氣裝置若設(shè)計合理，冷卻系統(tǒng)對柴油機背壓的影響將很小。但是小孔排氣設(shè)計也有不足之處，即大部分高溫氣體會通過小孔裝置的前段逸出，而后段小孔則少有氣體。為了充分利用小孔的空間，在后續(xù)的小孔設(shè)計中將增加小孔排氣裝置排氣均勻性的優(yōu)化設(shè)計。該紅外抑制方法對于其他設(shè)備水下高溫排氣的紅外抑制亦有較好的借鑒意義。