柴油机水下排气红外抑制仿真研究

唐斯密，徐 飞，陈中伟

(海军研究院，北京 100161)

0 引 言

潜艇的隐蔽性是其生命力的保障，综合隐身性能是评价潜艇战斗力的最重要因素。潜艇在通气管航态下需要浮出水面进行充电，而此时柴油机排气口距离水面位置近，排气温度高、流量大，极易在海面形成大范围温度差而被红外探测装备侦察到[1–2]。

针对此问题，国外潜艇均采取了措施控制排气温度以减小其红外特征，我国的科研工作者也在此方面展开了大量的理论分析和试验研究。王小川[3]系统地分析了国内外在潜艇通气管航态的隐身措施，利用一维流体系统仿真软件Flowmaster设计了排气系统；贺国[4]针对AIP系统喷淋冷却建立了传热模型，并进行了实验验证；袁江涛[5–6]对柴油机排气管内的喷淋方式进行了仿真，研究了顺向和逆向喷淋的效果；孟清正等[7]分析比较了船用柴油机的各种排气方式后，提出了军用高速艇柴油机水下排气方式，并通过实验验证了高速艇水下排气可行性；李四娣[8]提出的负压区排气技术，利用潜艇指挥台围壳附近流场的水动力效应所形成的“负压区”布置柴油机通气管排气口，并在同一类型艇上进行了新旧2种排气口（负压区排气口和原鸭嘴型排气口）的对比试验，结果证明了“负压区”排气不仅能降低阻力损失，还能更进一步降低排气温度。

但是这些研究局限于排气总管内的喷淋降温或者排气口外部的强制掺混，没有充分考虑两者的串联关系，且多缺乏实际考虑，比如柴油机排气管流量大、温度高，所需喷淋的水流量也较大，此情况下的液体雾化效果较差，粒子直径通常较大而难以蒸发，试验中难以达到理想效果。基于此，本文提出一种两级降温方案：1）在排气总管内置喷淋系统，初步降低排气的温度；2）在排气管末端加装一个小孔排气装置，将传统方案的大气泡变为小气泡，增加气体与海水的热交换，进一步减小海水的表面温差。利用CFD方法建立了柴油机排气两相流模型，对喷淋系统以及小孔排气系统进行仿真分析。

1 柴油机水下排气降温模型

1.1 Realizable k-ε湍流模型

标准k-ε湍流模型是最古老的且使用最广泛的湍流模型。Realizable k-ε和标准k-ε模型相比，采用新的计算湍流粘性的公式和新的计算耗散率ε的输运公式。Realizable k-ε湍流模型的控制方程为：

连续方程

动量方程

能量方程

湍动能k的输运方程

湍动能耗散率ε的输运方程

湍流模型的模型常数为：

Realizable k-ε湍流模型的Realizable，是指该模型满足雷诺应力的一些数学限制，和现实物理现象中的湍流相容。该模型与标准k-ε模型和RNG k-ε模型相比，能够更准确地模拟湍流的扩散，同时在模拟包含旋流、边界层和强逆压梯度下的分离流、回流方面，表现出较好的精度。

1.2 液滴蒸发理论

水滴和烟气的传热传质关系十分复杂，一方面由于水滴温度的升高，导致水滴与环境燃气的温差减少，从而会消弱燃气与水滴之间的传热；其次，随着水滴温度的升高，水滴表面的蒸发过程加速，蒸发过程中水滴所吸收的蒸发潜热也不断增多。此外，随着水滴总的蒸发量的增加，烟气中水蒸汽的含量增加，烟气会逐渐趋于饱和，水滴的蒸发速度会降低。因此，水滴达到某一温度，其所得的热量恰好等于蒸发所需的热量，于是水滴温度不再改变，蒸发处于一种平衡状态，水滴在这一温度下继续蒸发直到汽化完毕或烟气中水蒸汽处于饱和状态。

在高温下的水滴蒸发如图1所示。Rs为任意时刻水滴的半径，Ts为水滴表面的温度，T为介质温度。

根据蒸发理论，有公式：

图 1 柴油机水下排气模型Fig. 1 The model of diesel exhaust under water

总的说来，水滴在高温环境中的蒸发时间随水滴直径增大而增大，随水滴与环境相对速度增加而减小，随环境温度增加而减小。蒸发时间与水滴直径的平方近似地成正比。相同水滴和环境温度的条件下，蒸发时间随着水滴与环境相对速度的增加而减小，近似地与Re的n次方成正比。

1.3 液体喷雾理论

离心喷嘴属于压力雾化喷嘴中的一种。主要有单油路离心喷嘴和双油路离心喷嘴2种结构。双油路离心喷嘴相比于单油路喷嘴扩大了工作范围。进入离心喷嘴的液体做切向运动，由于离心运动建立了空心涡，在喷嘴出口，旋转的液体同时有轴向速度和切向速度，形成空心油膜，油膜失稳形成液雾。

离心喷嘴的设计过程是一个纯粹的流体力学计算过程。离心喷嘴设计中，关心的是在给定喷嘴压力降下，要求一定的液体流量、喷雾张角和雾化颗粒细度。

离心喷嘴的喷口是环形的，液体在喷嘴内是做旋转运动，导致喷口在喷嘴出口的地方形成锥形油膜后失稳破碎形成锥形空心液雾。尽管离心喷嘴的结构很简单，但是其中的各种物理过程却很复杂。影响雾化的主要因素，一是液体物性，如表面张力和粘性系数，二是液体工况，如液体流量和液体压力。

2 柴油机水下排气红外抑制优化设计

柴油机排气的物理模型为：直径为100 mm喷管，气体流速为10 m/s、温度为350 ℃高温气体（本研究把燃气近似为空气处理），喷管放置于水面以下0.5 m处，水流速度0.1 m/s，水温为常温27 ℃，水流方向与喷气方向一致。同数值模拟预测水面温度分布见图1。为保证气体的冷却效果最优，设计了两级降温措施：

1）在排气管内部设置喷淋系统，充分利用水雾的汽化潜热首先吸收排气管内部的高温气体；

2）在排气管的末端设置了小孔排气装置，利用小孔将大团热气打散后排出，增加了气体与环境海水的交换效率，利用海水吸收大量热气，使得最终浮出水面的气体温度大大降低。

技术途径如下：

1）首先建立排气管内部喷淋的模型，以喷射水雾的汽化潜热效应最大化为目标，通过对比不同水流、水雾直径等参数，得到喷头参数设置；

2）然后建立小孔排气模型，以“湿气+水”作为输入量，通过条件不同的排气口直径、数量和排列方式，已浮出水面气体的温度为设计指标，得到小孔排气参数设置。

本模拟过程对喷嘴流量从0.01～0.03 kg/s变化喷雾平均粒径为50 μm的工况进行模拟，表1为出口面平均温度的变化。

表 1 不同流量和喷射粒子下的出口温度Tab. 1 The outlet temperature with different outflow and particle diameter

实际喷雾过程中，雾化颗粒大小不同，平均粒径50 μm，雾滴在烟道内的运动轨迹也不一致，呈现出一定分布。在一定的喷射条件下，不同粒径雾滴在流场中的运动轨迹差别较大，还存在重力的影响。以喷嘴流量0.03 kg/s为例，其排气管末端温度分布、中心轴温度分布和排气管末端水体积分布如图2～图4所示。

图3为喷管中心线上温度沿着轴向的分布。可见，烟道内喷雾后，在水雾喷射点附近，气相温度急剧下降，之后温度沿烟道轴线继续缓慢降低。

图 2 排气管末端上温度分布Fig. 2 The temperature distributing of exhaust pipe end

图 3 轴线上温度分布Fig. 3 The temperature distributing with the axes

图 4 出口截面上水的体积分数分布Fig. 4 The water volume fractional distributing on the end of outlet

图4为出口截面上水的体积分数分布，可以看出烟道的底部有少量积水存在。这是由于喷雾质量较大情况下，气流湿度达到约100%情况下，液滴不再蒸发情况下，且由于重力的原因出现的现象。当然，由于液滴的跟随性、液滴在管道内停留时间及气体相对湿度的原因，存在部分液滴未完全蒸发从而从出口逃逸的现象。

对圆柱形管道上开孔进行结构设计，上面均匀布置3 000个直径2 mm的圆孔。

图5和图6分别为t=28.383 4 s，整体排气、冷却过程趋于平稳，中心剖面水的体积分数分布温度分布。

图 5 对称面上水的体积分数分布图（t=28.383 4 s）Fig. 5 The water volume fractional distributing on symmetry section (t=28.384 s)

可以看出，整个流场内存在大量动态变化的水花和气泡。从喷气管喷出的气流，存在大气泡不规律地脱离并上浮到水面，这时水平面上的温度比高温气流初始温度稍低，达到约310 K。

图 6 对称面上温度分布图（t=28.3834 s）Fig. 6 The temperature distributing on symmetry section(t=28.384 s)

图 7 水平面最高温度随时间变化曲线Fig. 7 The highest temperature record with time

图7为水平面上最高温度随时间变化曲线，可以看出高温气流最高温度约为310 K，且水面最高温度在300～310 K之间波动。温度存在较大波动，同样是由于气体、蒸汽和水的掺混和流动存在波动的原因。湿气从小孔管道流出并上浮到水面的过程，与管内两相流流动的泡状流油相似之处，气泡破碎、合并、忽大忽小，存在较大波动。当小气泡出现时，其与水在单位体积内存在较大的接触面积，因而传热较充分，上浮到水面上时温度较低。反之，当大气泡从喷口脱落出现时，其与水在单位体积内存在较小的接触面积，因而上浮过程中传热不够充分，上浮到水面上时温度较高。因此，水平面最高温度随时间变化，且存在较大波动。

通过以上模拟过程可以较为清晰地看出，当高温排气受到内置喷淋和末端小孔排气共同作用时，其冷却效果大大提高，浮升至水面的热气基本与环境融为一体，达到了良好的降温效果。

3 结 语

潜艇的水下热排放是暴露其红外特征的重要因素，本文提出的内置喷淋+末端小孔排气方式对高温排气管进行冷却，通过建模并仿真计算，表明本文提出的降温方案有效，可以将排气管内的高温气体降低至常温左右，大大降低了水面尾迹的红外辐射强度，是一种对潜艇红外尾迹有效控制的手段。