本發(fā)明涉及艦船紅外輻射特性的計(jì)算技術(shù)，特別涉及一種考慮后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代艦船一般以燃?xì)廨啓C(jī)或大型柴油機(jī)為動(dòng)力裝置，其動(dòng)力系統(tǒng)的高溫排氣羽流比周?chē)h(huán)境要高出很多，使得艦船的高溫排氣羽流的紅外輻射在艦船整體的紅外輻射中占有較大份額。艦船的動(dòng)力主要來(lái)源于燃料的燃燒，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放的能量為推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)煙囪排放到大氣中。排氣羽流中未完全燃燒的高溫氣體排出煙囪后，將與從空氣中卷入的氧氣發(fā)生二次燃燒，從而將提高排氣羽流的溫度，進(jìn)而增大排氣羽流的紅外輻射強(qiáng)度。

目前，現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)艦船目標(biāo)紅外特性的研究主要集中在艦船本體的紅外特性的研究上，而對(duì)艦船煙囪的熱排氣羽流的紅外特性的研究見(jiàn)之甚少，而且也未研究過(guò)后燃反應(yīng)對(duì)排氣羽流的紅外輻射特性的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法，從而可以提高艦船的紅外輻射特性的計(jì)算精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法，該方法包括：

建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型；

使用窄譜帶模型和C-G近似法計(jì)算氣體的輻射特性；

建立排氣流場(chǎng)氣體輻射傳輸計(jì)算模型，進(jìn)行基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算。

較佳的，所述建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型包括：

建立位于艦船表面的煙囪部分及其排氣羽流計(jì)算區(qū)域的3D幾何模型，并對(duì)所述3D幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

根據(jù)網(wǎng)格劃分后的3D幾何模型，在流場(chǎng)能量守恒方程中加入后燃反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后得到排氣羽流的3D流場(chǎng)分布，并建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型；

較佳的，所述進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后得到排氣羽流的3D流場(chǎng)分布包括：

基于CFD數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到排氣羽流的3D流場(chǎng)分布。

較佳的，通過(guò)如下的公式計(jì)算得到輻射氣體的平均透過(guò)率

其中，為平均透過(guò)率，x為分子的摩爾百分?jǐn)?shù)，p為氣體總的壓強(qiáng)，l為行程長(zhǎng)度，和分別為譜帶內(nèi)平均吸收系數(shù)。

較佳的，所述排氣流場(chǎng)氣體輻射傳輸計(jì)算模型中的輻射傳輸方程為：

其中，I_λ(s,v)是沿傳輸方向v、在空間位置s處、波長(zhǎng)為λ的光譜輻射強(qiáng)度，α_λ(s)是介質(zhì)的光譜吸收系數(shù)，I_bλ(s)為黑體光譜輻射強(qiáng)度。

如上可見(jiàn)，在本發(fā)明中的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法中，由于建立了基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型，并使用窄譜帶模型和C-G近似法計(jì)算氣體的輻射特性，建立了排氣流場(chǎng)氣體輻射傳輸計(jì)算模型，因此可以進(jìn)行考慮了后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算，以得到最終的艦船的紅外輻射特性。通過(guò)使用上述的方法，可以定量研究后燃反應(yīng)對(duì)排氣羽流紅外輻射影響的程度，由于后燃反應(yīng)大大增強(qiáng)了排氣羽流紅外輻射，因此可以提高艦船的紅外輻射特性的計(jì)算精度，解決現(xiàn)有技術(shù)中未考慮后燃反應(yīng)的艦船熱排氣羽流的紅外特性計(jì)算的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的艦船的煙囪及排氣羽流的3D幾何模型及剖面網(wǎng)格示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的排氣羽流的溫度和密度的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的未加后燃反應(yīng)以及加入后燃反應(yīng)的輻射亮度分布示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的未加后燃反應(yīng)與加入后燃反應(yīng)的光譜輻射強(qiáng)度對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施例提供了一種艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法的流程示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法主要包括如下所述的步驟：

步驟11，建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型。

由于艦船煙囪中未徹底燃燒的高溫氣體進(jìn)入空氣后，將與空氣中的氧氣發(fā)生二次燃燒(即后燃)，因此將使得排氣羽流的溫度升高，進(jìn)而增大排氣羽流的紅外輻射強(qiáng)度。所以，在本步驟中，將建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以使用多種實(shí)現(xiàn)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的步驟11。以下將以其中的一種實(shí)現(xiàn)方式為例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

例如，較佳的，在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，所述步驟11可以包括如下的步驟：

步驟111，建立位于艦船表面的煙囪部分及其排氣羽流計(jì)算區(qū)域的3D幾何模型，并對(duì)所述3D幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的艦船的煙囪及排氣羽流的3D幾何模型及剖面網(wǎng)格示意圖。如圖2所示，圖2中的(a)為位于艦船表面的煙囪部分及其排氣羽流計(jì)算區(qū)域的3D幾何模型，其中，該3D幾何模型中包括進(jìn)氣口、煙囪和排氣流場(chǎng)；圖2中的(b)為對(duì)所述3D幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后得到的剖面網(wǎng)格示意圖。

步驟112，根據(jù)網(wǎng)格劃分后的3D幾何模型，在流場(chǎng)能量守恒方程中加入后燃反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后得到排氣羽流的3D流場(chǎng)分布，并建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型。

在本步驟中，將考慮后燃反應(yīng)對(duì)艦船的煙囪熱排氣羽流的紅外輻射特性的影響，并建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型。

例如，現(xiàn)有技術(shù)中的艦船所使用的燃料大多為碳?xì)淙剂?。碳?xì)淙剂先紵且粋€(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，其化學(xué)反應(yīng)釋放出的能量會(huì)對(duì)流場(chǎng)分布以及排氣羽流的紅外輻射特性產(chǎn)生較大的影響。如下所示的表1為碳?xì)淙剂先紵暮?jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

表1碳?xì)淙剂先紵幕瘜W(xué)反應(yīng)模型

因此，較佳的，在本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中，可以根據(jù)上述的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，在流場(chǎng)能量守恒方程中加入后燃反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)，以考慮化學(xué)反應(yīng)對(duì)流場(chǎng)和輻射的影響；然后，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后得到排氣羽流的3D流場(chǎng)分布，并建立基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型。

在建立上述基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型，并指定氣體屬性、物理系統(tǒng)的計(jì)算區(qū)域及邊界條件后，通過(guò)采用流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算傳熱學(xué)方法，即可通過(guò)仿真計(jì)算獲得各個(gè)燃燒產(chǎn)物(例如，CO₂、H₂O和/或CO等輻射氣體)的各種流場(chǎng)參數(shù)，例如，濃度、速度、溫度和壓力等流場(chǎng)參數(shù)。

另外，較佳的，在本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中，可以基于CFD數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到上述排氣羽流的3D流場(chǎng)分布，從而得到基于CFD數(shù)值方法以及后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型。

步驟12，使用窄譜帶模型和C-G近似法計(jì)算氣體的輻射特性。

在本步驟中，可以使用窄譜帶模型和C-G近似法來(lái)計(jì)算氣體的輻射特性，例如，可以通過(guò)計(jì)算得到氣體紅外光譜輻射參數(shù)。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以主要考慮各輻射氣體(例如，CO₂、H₂O和/或CO等燃燒產(chǎn)物)的紅外輻射。

例如，較佳的，在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，可以通過(guò)如下的公式計(jì)算得到輻射氣體的平均透過(guò)率

式中，為平均透過(guò)率，x為分子的摩爾百分?jǐn)?shù)，p為氣體總的壓強(qiáng)，l為行程長(zhǎng)度，和分別為譜帶內(nèi)平均吸收系數(shù)。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以使用HITEMP數(shù)據(jù)庫(kù)作為計(jì)算基礎(chǔ)，譜線內(nèi)平均半寬可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。

步驟13，建立排氣流場(chǎng)氣體輻射傳輸計(jì)算模型，進(jìn)行基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算。

當(dāng)燃料燃燒，燃燒產(chǎn)物經(jīng)脫硫處理之后，排氣羽流的輻射傳輸方程將主要由氣體分子的輻射吸收決定，流場(chǎng)中粒子散射效應(yīng)可忽略不計(jì)，所以此時(shí)氣體的輻射傳輸方程中散射項(xiàng)σ_λ(s)＝0。因此，較佳的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，上述排氣流場(chǎng)氣體輻射傳輸計(jì)算模型中的輻射傳輸方程可表示為：

其中，I_λ(s,v)是沿傳輸方向v、在空間位置s處、波長(zhǎng)為λ的光譜輻射強(qiáng)度，α_λ(s)是介質(zhì)的光譜吸收系數(shù)，I_bλ(s)為黑體光譜輻射強(qiáng)度。

通過(guò)上述的排氣流場(chǎng)氣體輻射傳輸計(jì)算模型，即可進(jìn)行基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算，以得到最終的艦船的紅外輻射特性。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的排氣羽流的溫度和密度的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果示意圖。其中，圖3中的(a)為排氣羽流的溫度計(jì)算結(jié)果示意圖，圖3中的(b)為排氣羽流的密度計(jì)算結(jié)果示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的未加后燃反應(yīng)以及加入后燃反應(yīng)的輻射亮度分布示意圖。其中，圖4中的(a)為未加后燃反應(yīng)的輻射亮度分布示意圖，圖4中的(b)為加入后燃反應(yīng)的輻射亮度分布示意圖。從圖4中可以看到，加入后燃反應(yīng)的排氣羽流分布范圍更廣。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的未加后燃反應(yīng)與加入后燃反應(yīng)的光譜輻射強(qiáng)度對(duì)比示意圖。其中，圖5中的實(shí)線曲線為未加后燃反應(yīng)的光譜輻射強(qiáng)度，圖5中的虛線曲線為加入后燃反應(yīng)的光譜輻射強(qiáng)度。

從圖5中的光譜輻射強(qiáng)度對(duì)比可看出，加入后燃反應(yīng)的排氣羽流，其輻射強(qiáng)度明顯高于不加后燃反應(yīng)的輻射強(qiáng)度，在4.2～4.6μm波段的平均輻射強(qiáng)度增強(qiáng)比例約為20％。這是因?yàn)榕艢庥鹆骱笕夹枰M(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)的能量變化和組分比例變化會(huì)使排氣羽流的溫度升高，進(jìn)而增大了羽流的紅外輻射強(qiáng)度。因此，在進(jìn)行排氣羽流紅外特性計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮后燃反應(yīng)的影響。

綜上可知，在本發(fā)明中的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算方法，由于建立了基于后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的流場(chǎng)分布模型，并使用窄譜帶模型和C-G近似法計(jì)算氣體的輻射特性，建立了排氣流場(chǎng)氣體輻射傳輸計(jì)算模型，因此可以進(jìn)行考慮了后燃反應(yīng)的艦船排氣羽流的紅外輻射特性的計(jì)算，以得到最終的艦船的紅外輻射特性。通過(guò)使用上述的方法，可以定量研究后燃反應(yīng)對(duì)排氣羽流紅外輻射影響的程度，由于后燃反應(yīng)大大增強(qiáng)了排氣羽流紅外輻射，因此可以提高艦船的紅外輻射特性的計(jì)算精度，解決現(xiàn)有技術(shù)中未考慮后燃反應(yīng)的艦船熱排氣羽流的紅外特性計(jì)算的問(wèn)題。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。