CN106886662A - 一种舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法。该方法包括：建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型；使用窄谱带模型和C‑G近似法计算气体的辐射特性；建立排气流场气体辐射传输计算模型，进行基于后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算。通过使用本发明的计算方法，可以提高舰船的红外辐射特性的计算精度，解决现有技术中未考虑后燃反应的舰船热排气羽流的红外特性计算的问题。
Description
技术领域
本发明涉及舰船红外辐射特性的计算技术，特别涉及一种考虑后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法。
背景技术
现代舰船一般以燃气轮机或大型柴油机为动力装置，其动力系统的高温排气羽流比周围环境要高出很多，使得舰船的高温排气羽流的红外辐射在舰船整体的红外辐射中占有较大份额。舰船的动力主要来源于燃料的燃烧，通过化学反应释放的能量为推进系统提供动力，化学反应产物通过烟囱排放到大气中。排气羽流中未完全燃烧的高温气体排出烟囱后，将与从空气中卷入的氧气发生二次燃烧，从而将提高排气羽流的温度，进而增大排气羽流的红外辐射强度。
目前，现有技术中针对舰船目标红外特性的研究主要集中在舰船本体的红外特性的研究上，而对舰船烟囱的热排气羽流的红外特性的研究见之甚少，而且也未研究过后燃反应对排气羽流的红外辐射特性的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法，从而可以提高舰船的红外辐射特性的计算精度。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法，该方法包括：
建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型；
使用窄谱带模型和C-G近似法计算气体的辐射特性；
建立排气流场气体辐射传输计算模型，进行基于后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算。
较佳的，所述建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型包括：
建立位于舰船表面的烟囱部分及其排气羽流计算区域的3D几何模型，并对所述3D几何模型进行网格划分；
根据网格划分后的3D几何模型，在流场能量守恒方程中加入后燃反应的化学反应源项，进行数值计算后得到排气羽流的3D流场分布，并建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型；
较佳的，所述进行数值计算后得到排气羽流的3D流场分布包括：
基于CFD数值计算方法，通过数值计算得到排气羽流的3D流场分布。
较佳的，通过如下的公式计算得到辐射气体的平均透过率
其中，为平均透过率，x为分子的摩尔百分数，p为气体总的压强，l为行程长度，和分别为谱带内平均吸收系数。
较佳的，所述排气流场气体辐射传输计算模型中的辐射传输方程为：
其中，Iλ(s,v)是沿传输方向v、在空间位置s处、波长为λ的光谱辐射强度，αλ(s)是介质的光谱吸收系数，Ibλ(s)为黑体光谱辐射强度。
如上可见，在本发明中的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法中，由于建立了基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型，并使用窄谱带模型和C-G近似法计算气体的辐射特性，建立了排气流场气体辐射传输计算模型，因此可以进行考虑了后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算，以得到最终的舰船的红外辐射特性。通过使用上述的方法，可以定量研究后燃反应对排气羽流红外辐射影响的程度，由于后燃反应大大增强了排气羽流红外辐射，因此可以提高舰船的红外辐射特性的计算精度，解决现有技术中未考虑后燃反应的舰船热排气羽流的红外特性计算的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中的舰船的烟囱及排气羽流的3D几何模型及剖面网格示意图。
图3为本发明实施例中的排气羽流的温度和密度的流场计算结果示意图。
图4为本发明实施例中的未加后燃反应以及加入后燃反应的辐射亮度分布示意图。
图5为本发明实施例中的未加后燃反应与加入后燃反应的光谱辐射强度对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本实施例提供了一种舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法。
图1为本发明实施例中的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法主要包括如下所述的步骤：
步骤11，建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型。
由于舰船烟囱中未彻底燃烧的高温气体进入空气后，将与空气中的氧气发生二次燃烧(即后燃)，因此将使得排气羽流的温度升高，进而增大排气羽流的红外辐射强度。所以，在本步骤中，将建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型。
在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤11。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述步骤11可以包括如下的步骤：
步骤111，建立位于舰船表面的烟囱部分及其排气羽流计算区域的3D几何模型，并对所述3D几何模型进行网格划分。
图2为本发明实施例中的舰船的烟囱及排气羽流的3D几何模型及剖面网格示意图。如图2所示，图2中的(a)为位于舰船表面的烟囱部分及其排气羽流计算区域的3D几何模型，其中，该3D几何模型中包括进气口、烟囱和排气流场；图2中的(b)为对所述3D几何模型进行网格划分后得到的剖面网格示意图。
步骤112，根据网格划分后的3D几何模型，在流场能量守恒方程中加入后燃反应的化学反应源项，进行数值计算后得到排气羽流的3D流场分布，并建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型。
在本步骤中，将考虑后燃反应对舰船的烟囱热排气羽流的红外辐射特性的影响，并建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型。
例如，现有技术中的舰船所使用的燃料大多为碳氢燃料。碳氢燃料燃烧是一个比较复杂的过程，其化学反应释放出的能量会对流场分布以及排气羽流的红外辐射特性产生较大的影响。如下所示的表1为碳氢燃料燃烧的简化化学反应动力学模型。
表1碳氢燃料燃烧的化学反应模型
因此，较佳的，在本发明一个具体实施例中，可以根据上述的化学反应动力学模型，在流场能量守恒方程中加入后燃反应的化学反应源项，以考虑化学反应对流场和辐射的影响；然后，进行数值计算后得到排气羽流的3D流场分布，并建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型。
在建立上述基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型，并指定气体属性、物理系统的计算区域及边界条件后，通过采用流体力学、数值计算传热学方法，即可通过仿真计算获得各个燃烧产物(例如，CO2、H2O和/或CO等辐射气体)的各种流场参数，例如，浓度、速度、温度和压力等流场参数。
另外，较佳的，在本发明一个具体实施例中，可以基于CFD数值计算方法，通过数值计算得到上述排气羽流的3D流场分布，从而得到基于CFD数值方法以及后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型。
步骤12，使用窄谱带模型和C-G近似法计算气体的辐射特性。
在本步骤中，可以使用窄谱带模型和C-G近似法来计算气体的辐射特性，例如，可以通过计算得到气体红外光谱辐射参数。在本发明的技术方案中，可以主要考虑各辐射气体(例如，CO2、H2O和/或CO等燃烧产物)的红外辐射。
例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，可以通过如下的公式计算得到辐射气体的平均透过率
式中，为平均透过率，x为分子的摩尔百分数，p为气体总的压强，l为行程长度，和分别为谱带内平均吸收系数。
在本发明的技术方案中，可以使用HITEMP数据库作为计算基础，谱线内平均半宽可由经验公式计算得到。
步骤13，建立排气流场气体辐射传输计算模型，进行基于后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算。
当燃料燃烧，燃烧产物经脱硫处理之后，排气羽流的辐射传输方程将主要由气体分子的辐射吸收决定，流场中粒子散射效应可忽略不计，所以此时气体的辐射传输方程中散射项σλ(s)＝0。因此，较佳的，在本发明的技术方案中，上述排气流场气体辐射传输计算模型中的辐射传输方程可表示为：
其中，Iλ(s,v)是沿传输方向v、在空间位置s处、波长为λ的光谱辐射强度，αλ(s)是介质的光谱吸收系数，Ibλ(s)为黑体光谱辐射强度。
通过上述的排气流场气体辐射传输计算模型，即可进行基于后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算，以得到最终的舰船的红外辐射特性。
图3为本发明实施例中的排气羽流的温度和密度的流场计算结果示意图。其中，图3中的(a)为排气羽流的温度计算结果示意图，图3中的(b)为排气羽流的密度计算结果示意图。
图4为本发明实施例中的未加后燃反应以及加入后燃反应的辐射亮度分布示意图。其中，图4中的(a)为未加后燃反应的辐射亮度分布示意图，图4中的(b)为加入后燃反应的辐射亮度分布示意图。从图4中可以看到，加入后燃反应的排气羽流分布范围更广。
图5为本发明实施例中的未加后燃反应与加入后燃反应的光谱辐射强度对比示意图。其中，图5中的实线曲线为未加后燃反应的光谱辐射强度，图5中的虚线曲线为加入后燃反应的光谱辐射强度。
从图5中的光谱辐射强度对比可看出，加入后燃反应的排气羽流，其辐射强度明显高于不加后燃反应的辐射强度，在4.2～4.6μm波段的平均辐射强度增强比例约为20％。这是因为排气羽流后燃需要进行复杂的化学反应，化学反应带来的能量变化和组分比例变化会使排气羽流的温度升高，进而增大了羽流的红外辐射强度。因此，在进行排气羽流红外特性计算时应考虑后燃反应的影响。
综上可知，在本发明中的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法，由于建立了基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型，并使用窄谱带模型和C-G近似法计算气体的辐射特性，建立了排气流场气体辐射传输计算模型，因此可以进行考虑了后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算，以得到最终的舰船的红外辐射特性。通过使用上述的方法，可以定量研究后燃反应对排气羽流红外辐射影响的程度，由于后燃反应大大增强了排气羽流红外辐射，因此可以提高舰船的红外辐射特性的计算精度，解决现有技术中未考虑后燃反应的舰船热排气羽流的红外特性计算的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种舰船排气羽流的红外辐射特性的计算方法，其特征在于，该方法包括：
建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型；
使用窄谱带模型和C-G近似法计算气体的辐射特性；
建立排气流场气体辐射传输计算模型，进行基于后燃反应的舰船排气羽流的红外辐射特性的计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型包括：
建立位于舰船表面的烟囱部分及其排气羽流计算区域的3D几何模型，并对所述3D几何模型进行网格划分；
根据网格划分后的3D几何模型，在流场能量守恒方程中加入后燃反应的化学反应源项，进行数值计算后得到排气羽流的3D流场分布，并建立基于后燃反应的舰船排气羽流的流场分布模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述进行数值计算后得到排气羽流的3D流场分布包括：
基于CFD数值计算方法，通过数值计算得到排气羽流的3D流场分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下的公式计算得到辐射气体的平均透过率
其中，为平均透过率，x为分子的摩尔百分数，p为气体总的压强，l为行程长度，和分别为谱带内平均吸收系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排气流场气体辐射传输计算模型中的辐射传输方程为：
其中，Iλ(s,v)是沿传输方向v、在空间位置s处、波长为λ的光谱辐射强度，αλ(s)是介质的光谱吸收系数，Ibλ(s)为黑体光谱辐射强度。
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