基于BRDF的排气系统红外辐射特征计算研究

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1、航空学报ActaAeronauticaefAstronautiCaSinicaJul252012V01．33No71227—1235ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaeduCnhkxb@buaaedu．cn文章编号：10006893(2012)071227—09基于BRDF的排气系统红外辐射特征计算研究黄伟1’2，吉洪湖1’*1．南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京2]00162．徐州空军学院航空四站系，江苏徐ti、I22i000摘要：为了提高涡扇发动机排

2、气系统红外辐射强度的计算精度，研究了壁面反射特性对计算结果的影响。红外辐射特征的计算采用反向蒙特卡罗(RMC)法，壁面反射采用双向反射分布函数(BRDF)和漫反射两种模型，并将计算得到的红外辐射强度与模型试验测试结果进行了对比。通过研究BRDF模型参数的变化对计算结果的影响确定了所采用模型中参数的取值。结果表明：壁面反射采用BRDF模型是提高红外辐射计算精度的有效途径。对于本文的试验模型，采用BRDF模型后，明显减小了以低发射高反射部件辐射为主的方向上红外辐射强度的计算误差。关键词：航空发动机；排气系统；

3、红外辐射；反向蒙特卡罗法；双向反射分布函数中图分类号：V231．1；0343．3文献标识码：A发动机排气系统(指末级低压涡轮出口截面下游所有固体部件)和尾流是飞行器在3～5p．m波段的主要红外辐射源，对其进行精确模拟是掌握飞行器红外辐射特征和进行红外抑制研究的重要基础。准确计算排气系统红外辐射特征的关键因素之一就是合理地描述腔体表面的反射特性。材料表面的实际反射特性取决于材料的表面状态、人射辐射的方向和波长等因素。根据表面粗糙度口和入射辐射波长A的比值可把表面状态分为粗糙表面和光滑表面，当o／A》1时，可

4、认为该表面是粗糙的；当盯A《1时，则可认为该表面是光滑的。为简单起见，现有的计算排气系统红外辐射特征的模型和方法一。7。中大多采用漫反射模型来计算壁面的反射辐射。例如罗明东等[41和黄伟等¨]采用漫反射模型计算了带收敛喷管的排气系统模型的红外辐射特征，计算结果与试验结果吻合得较好。这是由于该模型的表面是通过车削加工得到的，表面粗糙度的轮廓算术平均偏差值约为3．2～6．3／zm，同时模型表面还受到高温燃气的氧化作用，粗糙度进一步增加，按本文的定义这些模型的表面属于粗糙表面，所以对这种表面而言，漫反射假设是合

5、理的。而采用相同的方法计算带有光滑表面的加力筒体结构的涡扇发动机排气系统模型的红外辐射时，发现在加力简体部件辐射为主的方向上的计算误差超过了20％，表明简单的漫反射假设已不能满足这种情况下的红外辐射特征计算精度的要求。描述壁面反射特性最成功的方法是Nicode—roLlS[8]于1965年提出的双向反射分布函数(BRDF)模型，漫反射模型是BRDF模型的一个特例。此概念早先用于光学，而后在多个领域都有广泛的应用，如计算机图形学[9。1⋯、涂层开发及收稿日期：201I-09—27；退修日期：2011—11．

6、25；录用日期：2012-01—20：网络出版时间：2012．02一0717：IB网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V．20120207．1718．003html*通讯作者．Tel，：025—84893216E·mail：ihhpe@nuaa．edu．Cn警l琅籀武iHuangW，JiHH．ComputationalinvestigationofinfraredradiationcharacteristicsofexhaustsystembasedOn8RDFAct

7、aAero—nauticaetAstronauticaSinica．2012．33(7)：1227—12357黄伟。吉洪潮。基于BRDF的排气系统红铃辐射特征计算研究航空学摄，2812，33(7)：1227一

8、235，航空学报目标特征计算[11。131等。目前，BRDF模型在发动机排气系统红外特征计算方面的相关报道还很少。本文以一个带有简化为光滑表面的加力筒体的涡扇发动机模型为研究对象，通过与试验测量结果以及壁面反射采用漫反射模型的计算结果进行对比，研究了壁面反射采用BRDF模型对计算结果的影响，并初步确

9、定了所采用的BRDF模型参数的取值。1物理模型与工作状况1．1物理模型图1给出了涡扇发动机排气系统模拟试验模型，由外涵、内涵、涡轮模拟器(SimulativeTur—bineBlade)、支板(Strut，共6个，延伸到外涵外壁，起支撑内部结构的作用)、分界面(DividedDuct)、中心锥(Cone)、火焰稳定器(FlameHold—ez-，8个径向)、加力简体(Afterburner)和收扩喷管(Convergent—d