S弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法

s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法
技术领域
1.本发明属于航空发动机排气系统红外辐射特征仿真领域，具体涉及一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法。


背景技术：

2.红外隐身性能是衡量现代战机先进性的重要指标之一。新型红外制导武器正严重威胁战机的生存安全，亟需开展战机红外隐身设计研究。航空发动机排气系统是战机最主要的红外辐射源，排气系统内的高温部件和喷出的高温燃气会产生大量红外辐射，是红外制导武器的首要寻的目标。s弯管技术作为排气系统红外抑制技术的一种，因其具备显著红外低可探测优势而受到国内外军事科研机构的广泛关注。其s形曲面可以有效遮挡发动机低压涡轮、尾锥、混合器等高温部件，同时大宽高比类矩形喷口可以强化高温燃气与低温大气的掺混过程，有效抑制排气系统中来自高温部件和燃气的红外辐射。
3.目前模拟s弯喷管红外辐射特性的方传统方法是，采用计算流体力学方法计算喷管内外流场参数分布特征，再通过逆向蒙特卡罗法或离散传递法等方法获取目标红外辐射强度。这种方法可以获得精细的目标红外辐射特征，但计算过程依赖于离散网格方案、流场计算和辐射传输方程求解。对于s弯喷管这类多设计参数耦合的复杂构型喷管，采用该方法获取完整设计空间内目标外红外特征的计算成本过高，在排气系统红外隐身设计初期和发动机总体设计阶段是难以接受的。现有技术公开的带引射喷管涡扇发动机的建模及红外辐射预测，只适用于轴对称喷管，难以适用于存在复杂遮挡关系的s弯喷管。因此有必要针对s弯喷管遮挡结构特性发展一种新的红外辐射强度快速计算方法，实现s弯喷管红外辐射特征的快速评估。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题：
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，能够快速计算采用不同设计参数s弯喷管的红外辐射特征，并实现不同部件红外辐射强度和燃气红外辐射强度分解，同时保证一定的计算精度。解决现有技术中s弯喷管红外辐射特征仿真计算过程复杂时间成本高，快速计算方法只适用于轴对称喷管无法模拟s弯喷管遮挡结构特性的问题。
6.本发明的技术方案是：一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，具体步骤如下：
7.步骤1：确定s弯喷管和排气混合器部件设计参数；
8.步骤2：将排气混合器部件向正后向投影，建立无s弯喷管遮挡情况下的排气混合器投影模型；将s弯喷管关键遮挡截面向正后向投影，建立无遮挡情况下的s弯喷管关键遮挡截面投影模型，模型数量与关键遮挡截面数量一致；
9.步骤3：采用图像法计算s弯喷管遮挡后的各部件投影面积；
10.步骤4：计算s弯喷管的流场参数分布和部件表面温度；
11.步骤5：计算s弯喷管燃气可见区域轴向长度和容积；
12.步骤6：基于步骤4获得的流场参数分布和步骤5获得的燃气可见区域轴向长度，计算燃气可见区域内喷管出口中心线上的光谱透过率和燃气光谱辐射亮度；根据步骤5获得的可见区域容积修正燃气投影面积，计算燃气光谱辐射强度；
13.步骤7：基于步骤3获得的部件投影面积、步骤4获得的部件表面温度和步骤6获得的燃气光谱透过率计算壁面红外光谱辐射强度；
14.步骤8：将步骤6和步骤7获得的燃气和壁面光谱辐射强度相加计算s弯喷管总红外光谱辐射强度，对光谱辐射亮积分获得总红外辐射强度。
15.本发明的进一步技术方案是：所述s弯喷管的设计参数包括喷管进口直径、s弯段出口轮廓参数、s弯段偏距、喷管长度；所述排气混合器部件设计参数包括尾锥直径、内涵直径、外涵直径、混合器出口直径、排气混合器长度。
16.本发明的进一步技术方案是：所述s弯喷管关键遮挡截面包括一弯出口截面、二弯出口截面、喷管出口截面。
17.本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中计算方法为，
18.步骤3.1：以排气混合器投影模型几何中心为所有图像的中心，按固定几何尺寸和像素比例尺将无遮挡情况下的排气混合器投影模型和s弯喷管关键遮挡截面投影模型分别映射至排气混合器投影图和s弯喷管关键遮挡截面投影图上，根据偏距确定关键遮挡截面在图像上的相对位置；
19.步骤3.2：以排气混合器投影图为底图，以所有关键遮挡截面投影图像为蒙版，按照关键遮挡截面在s弯喷管上的轴向顺序依次通过像素“与”运算计算蒙版与底图的交集，并按照交集实时更新底图；
20.步骤3.3：基于底图的像素计数结果与比例尺计算排气混合器各部件可见区域投影面积，根据像素数值差异区分不同部件投影面积；同理根据喷管出口截面投影图像素计数结果计算喷管出口面积，减去各部件投影面积获得s弯喷管壁面投影面积。
21.本发明的进一步技术方案是：所述步骤3.1中，混合器投影图通过像素值区分不同部件，关键遮挡截面投影图上关键遮挡截面喷管内部区域填充像素最大值，图像中投影模型以外区域像素值均设置为0。
22.本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，根据一维流动模型计算s弯喷管内部和喷流的流场参数分布，流场参数包括燃气温度、压力和燃烧产物组分浓度分布；同时根据s弯喷管进口气动参数计算s弯喷管和排气系统各部件表面温度。
23.本发明的进一步技术方案是：所述步骤5中，根据s弯喷管设计参数与燃气可见区域轴向长度和容积的关系建立拟合函数，基于拟合函数分别计算当前设计参数下s弯喷管燃气可见区域轴向长度和容积。
24.本发明的进一步技术方案是：所述步骤5中，分别采用玻尔兹曼公式和罗吉斯蒂克公式建立了燃气可见区域轴向长度和容积s弯喷管设计参数的拟合函数如下：
25.[0026][0027]
式中，lv为燃气可见区域轴向长度，vv为燃气可见区域容积，l2：一弯段长度，l3：二弯段长度，l4：等值段长度，δy2：二弯段纵向偏距，ae为喷管出口面积。
[0028]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤6中，采用窄谱带模型和c-g谱带近似方法计算燃气光谱透过率和燃气光谱辐射亮度。
[0029]
有益效果
[0030]
本发明的有益效果在于：本发明通过图像法计算不同设计参数下s弯喷管各部件正后向投影面积，通过一维流动模型计算s弯喷管流场参数分布，通过函数关系计算燃气可见区域长度和容积修正燃气辐射，避免了对离散网格方案、计算流体力学方法和辐射传输方程求解的依赖，可实现不同设计参数s弯喷管正后向红外辐射强度的快速计算。解决了传统喷管红外特征快速计算方法不适用s弯喷管，无法模拟其遮挡特性的问题；本发明的技术难点在于，通过图像法快速并精确计算任意s弯喷管设计参数下各部件的正后向投影面积，基于函数关系确定s弯喷管内燃气可见区域和容积并修正燃气辐射特性。
[0031]
本发明实施例进行了验证，选取不同二弯偏距s弯喷管和不同内涵进口总温对计算精度的影响，结果如表1和表2所示，其中最大误差为12.52w/sr。
附图说明
[0032]
图1是根据本发明实施例可选的一种s弯喷管几何模型及其设计参数示意图；
[0033]
图2是根据本发明实施例可选的一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法流程图；
[0034]
图3是图像法计算s弯喷管各部件正后向投影面积示意图；
[0035]
图4是不同偏距s弯喷管燃气可见区域长度和容积示意图。
[0036]
附图标记说明：1.外涵进口，2.混合器，3.尾锥形，4.内涵进口，5.一弯出口截面，6.喷管出口截面，7.排气混合器，8.s弯喷管，9.s弯喷管中心线，10.混合器投影模型，11.混合器投影图，12.一弯出口截面蒙版，13.一弯出口底图，14.喷管出口截面蒙版，15.喷管出口底图，16.喷管出口中心线。
[0037]dt
：尾锥直径；dc：内涵直径；db：外涵直径；dm：混合器出口直径；l1：混合段长度；di：s弯喷管进口直径；l2：一弯段长度；δy1：一弯纵向偏距；w1：一弯出口宽度；h1：一弯出口高度；r1：一弯出口倒圆半径；l3：二弯段长度；δy2：二弯段纵向偏距；w2：二弯出口宽度；h2：二弯出口高度；r2：二弯出口倒圆半径；l4：等值段长度.
具体实施方式
[0038]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0039]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0040]
参照图1所示，本实施例针对采用双弯构型的s弯喷管，排气混合器7包含外涵进口1、尾锥3、混合器2和内涵进口4。图中还给出了排气混合器和s弯喷管的主要设计参数。排气混合器设计参数包括尾锥直径d
t
、内涵直径dc、外涵直径db、混合器出口直径dm和混合段长度l1。s弯喷管设计参数包括喷管进口直径di，一弯段长度l2、纵向偏距δy1、出口宽度w1、出口高度h1、出口倒圆半径r1，二弯段长度l3、纵向偏距δy2、出口宽度w2、出口高度h2、出口倒圆半径r2和等值段长度l4。其中，在本实施例中，混合器出口直径dm大于内涵直径dc，喷管进口直径di大于混合器出口直径dm且小于外涵直径db。s弯喷管正后向关键遮挡截面为一弯出口截面和喷管出口截面。截面轮廓为圆角矩形，由截面宽度、高度和倒圆半径决定。轮廓几何中心由偏距决定。
[0041]
本发明方案的具体实施例包含以下步骤，流程如图2所示。
[0042]
步骤一，确定s弯喷管和排气混合器部件设计参数，s弯喷管的设计参数包括但不限于：喷管进口直径、s弯段出口轮廓参数、s弯段偏距、喷管长度等。排气混合器部件设计参数包括但不限于尾锥直径、内涵直径、外涵直径、混合器出口直径、排气混合器长度等。本实施例中s弯喷管出口轮廓参数为截面宽度、高度和倒圆半径。
[0043]
步骤二，将排气混合器部件向正后向投影，建立无s弯喷管遮挡情况下的排气混合器投影模型。在本实施例中，由于混合器出口直径dm大于内涵直径dc，喷管进口直径di大于混合器出口直径dm且小于外涵直径db，因此喷管进口和混合器将遮挡一部分外涵进口。将s弯喷管一弯出口截面和喷管出口截面向正后向投影，建立无遮挡s弯喷管关键遮挡截面投影模型。投影模型根据截面宽度、高度和倒圆半径建立。
[0044]
步骤三：采用图像法计算排气混合器和s弯喷管各部件正后向投影面积，如图3所示。以排气混合器投影模型几何中心为所有图像的中心，按固定几何尺寸和像素比例尺将排气混合器投影模型和所有s弯喷管关键遮挡截面投影模型分别映射至混合器投影图和s弯喷管关键遮挡截面投影图上，根据偏距可确定关键遮挡截面在图像上的相对位置。本实施例中关键截面投影图为一弯出口截面投影图和喷管出口截面投影图。几何尺寸和像素比例尺为1毫米对应1个像素。混合器投影图通过像素灰度值区分不同部件，关键截面投影图上关键截面喷管内部区域填充像素最大值，图像中投影模型以外区域像素值均设置为0。
[0045]
步骤四、如图3所示，以混合器投影图为底图，以所有关键截面投影图像为蒙版，按照关键截面在s弯喷管上的轴向顺序依次通过像素“与”运算计算蒙版与底图的交集，并按照交集实时更新底图。本实施例中，混合器投影图与一弯出口截面蒙版作交集运算获得了一弯出口底图，进一步与喷管出口截面蒙版作交集运算获得了喷管出口底图。
[0046]
步骤五、基于底图的像素计数结果与比例尺计算排气混合器各部件可见区域投影面积，根据像素数值差异区分不同部件投影面积。同理根据喷管出口截面投影图像素计数结果计算喷管出口面积，减去各部件投影面积获得s弯喷管壁面投影面积。本实施例中，通过像素灰度值差异可区分尾锥、内涵进口、混合器、外涵进口和喷管的正后向投影面积。
[0047]
步骤六、根据一维流动模型计算s弯喷管内部和喷流的流场参数分布，流场参数包括但不限于燃气温度、压力和燃烧产物组分浓度分布。同时根据s弯喷管进口气动参数计算s弯喷管和排气系统部件表面温度。本实施例中，s弯喷管内部的温度和压力分布采用一维
管流方法计算，燃烧产物组分浓度与内涵进口一致。喷流的温度、压力和燃烧产物组分浓度分布采用一维射流方法计算。尾锥和内涵进口表面温度设置为内涵进口总温，外涵进口和s弯喷管壁面表面温度设置为外涵进口总温，混合器表面温度设置为内外涵进口总温平均值。
[0048]
步骤七、根据s弯喷管设计参数与燃气可见区域轴向长度和容积的关系建立拟合函数，基于拟合函数分别计算当前设计参数下s弯喷管燃气可见区域轴向长度和容积。如图4所示，不同偏距s弯喷管的燃气可见区域长度和容积不同，会影响燃气光谱透过率和燃气辐射强度。其中燃气可见区域长度为喷管出口中心线与喷管壁面相交后的线段长度。在本实施例中，分别采用玻尔兹曼公式和罗吉斯蒂克公式建立了燃气可见区域轴向长度和容积s弯喷管设计参数的拟合函数如下：
[0049][0050][0051]
式中，lv为燃气可见区域轴向长度，vv为燃气可见区域容积，l2：一弯段长度，l3：二弯段长度，l4：等值段长度，δy2：二弯段纵向偏距，ae为喷管出口面积。
[0052]
步骤八、基于步骤六获得的流场参数分布和步骤七获得的燃气可见区域轴向长度，计算燃气可见区域内喷管出口中心线上的光谱透过率和燃气光谱辐射亮度。本实施例中采用窄谱带模型和c-g谱带近似方法计算燃气光谱透过率和燃气光谱辐射亮度。根据步骤七获得的可见区域容积修正燃气投影面积，计算燃气光谱辐射强度。
[0053]
步骤九：基于步骤五获得的部件投影面积、步骤六获得的部件表面温度和步骤八获得的燃气光谱透过率计算壁面红外光谱辐射强度。
[0054]
步骤十：将步骤八和步骤九获得的燃气和壁面光谱辐射强度相加计算s弯喷管总红外光谱辐射强度，对光谱辐射亮积分获得总红外辐射强度。
[0055]
为了验证本发明的s弯喷管正后向红外辐射强度计算精度，对本发明进行了仿真验证。对比算法基于计算流体力学方法获取的喷管流场参数数据，采用传统离散传递法进行红外辐射强度计算。验证选取不同二弯偏距s弯喷管和不同内涵进口总温对计算精度的影响，结果如表1和表2所示，其中最大误差为12.52w/sr。
[0056]
表1不同二弯偏距s弯喷管正后向红外辐射强度计算结果对比
[0057][0058]
表2不同进口总温s弯喷管正后向红外辐射强度计算结果对比
[0059][0060]
以上仅是本发明针对实施例中的双弯s弯喷管和排气混合器模型正后向红外辐射强度快速计算的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：确定s弯喷管和排气混合器部件设计参数；步骤2：将排气混合器部件向正后向投影，建立无s弯喷管遮挡情况下的排气混合器投影模型；将s弯喷管关键遮挡截面向正后向投影，建立无遮挡情况下的s弯喷管关键遮挡截面投影模型，模型数量与关键遮挡截面数量一致；步骤3：采用图像法计算s弯喷管遮挡后的各部件投影面积；步骤4：计算s弯喷管的流场参数分布和部件表面温度；步骤5：计算s弯喷管燃气可见区域轴向长度和容积；步骤6：基于步骤4获得的流场参数分布和步骤5获得的燃气可见区域轴向长度，计算燃气可见区域内喷管出口中心线上的光谱透过率和燃气光谱辐射亮度；根据步骤5获得的可见区域容积修正燃气投影面积，计算燃气光谱辐射强度；步骤7：基于步骤3获得的部件投影面积、步骤4获得的部件表面温度和步骤6获得的燃气光谱透过率计算壁面红外光谱辐射强度；步骤8：将步骤6和步骤7获得的燃气和壁面光谱辐射强度相加计算s弯喷管总红外光谱辐射强度，对光谱辐射亮积分获得总红外辐射强度。2.根据权利要求1所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述s弯喷管的设计参数包括喷管进口直径、s弯段出口轮廓参数、s弯段偏距、喷管长度；所述排气混合器部件设计参数包括尾锥直径、内涵直径、外涵直径、混合器出口直径、排气混合器长度。3.根据权利要求1所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述s弯喷管关键遮挡截面包括一弯出口截面、二弯出口截面、喷管出口截面。4.根据权利要求1-3任一项所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述步骤3中计算方法为，步骤3.1：以排气混合器投影模型几何中心为所有图像的中心，按固定几何尺寸和像素比例尺将无遮挡情况下的排气混合器投影模型和s弯喷管关键遮挡截面投影模型分别映射至排气混合器投影图和s弯喷管关键遮挡截面投影图上，根据偏距确定关键遮挡截面在图像上的相对位置；步骤3.2：以排气混合器投影图为底图，以所有关键遮挡截面投影图像为蒙版，按照关键遮挡截面在s弯喷管上的轴向顺序依次通过像素“与”运算计算蒙版与底图的交集，并按照交集实时更新底图；步骤3.3：基于底图的像素计数结果与比例尺计算排气混合器各部件可见区域投影面积，根据像素数值差异区分不同部件投影面积；同理根据喷管出口截面投影图像素计数结果计算喷管出口面积，减去各部件投影面积获得s弯喷管壁面投影面积。5.根据权利要求4所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述步骤3.1中，混合器投影图通过像素值区分不同部件，关键遮挡截面投影图上关键遮挡截面喷管内部区域填充像素最大值，图像中投影模型以外区域像素值均设置为0。6.根据权利要求4所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述步骤4中，根据一维流动模型计算s弯喷管内部和喷流的流场参数分布，流场参数包括燃气温度、压力和燃烧产物组分浓度分布；同时根据s弯喷管进口气动参数计算s弯喷管和
排气系统各部件表面温度。7.根据权利要求4所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述步骤5中，根据s弯喷管设计参数与燃气可见区域轴向长度和容积的关系建立拟合函数，基于拟合函数分别计算当前设计参数下s弯喷管燃气可见区域轴向长度和容积。8.根据权利要求4所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述步骤5中，分别采用玻尔兹曼公式和罗吉斯蒂克公式建立了燃气可见区域轴向长度和容积s弯喷管设计参数的拟合函数如下：容积s弯喷管设计参数的拟合函数如下：式中，l
v
为燃气可见区域轴向长度，v
v
为燃气可见区域容积，l2：一弯段长度，l3：二弯段长度，l4：等值段长度，δy2：二弯段纵向偏距，a
e
为喷管出口面积。9.根据权利要求4所述一种s弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，其特征在于：所述步骤6中，采用窄谱带模型和c-g谱带近似方法计算燃气光谱透过率和燃气光谱辐射亮度。

技术总结
本发明一种S弯喷管正后向红外辐射强度快速计算方法，属于航空发动机排气系统红外辐射特征仿真领域；方法步骤为，确定S弯喷管和排气混合器部件设计参数；建立排气混合器和S弯喷管关键遮挡截面投影模型；采用图像法计算S弯喷管遮挡后的各部件投影面积；计算S弯喷管的流场参数分布和部件表面温度；计算S弯喷管燃气可见区域轴向长度和容积；计算燃气可见区域内喷管出口中心线上的光谱透过率和燃气光谱辐射亮度，及燃气光谱辐射强度；计算壁面红外光谱辐射强度；对光谱辐射亮积分获得总红外辐射强度。解决现有技术中S弯喷管红外辐射特征仿真计算过程复杂时间成本高，快速计算方法只适用于轴对称喷管无法模拟S弯喷管遮挡结构特性的问题。性的问题。性的问题。


技术研发人员：周莉 是介 史经纬 王占学 张晓博 邓文剑 黄盛 肖洪
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/10/8