水雾红外隐身的冷／热目标效应

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1、万方数据第32卷，第8期20l2年8月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysisV01．32，No．8，pp2204—2208August，2012水雾红外隐身的冷／热目标效应杜永成，杨立，张士成，杨桢，胡双喜海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033摘要人工水雾对抗红外成像制导导弹时，会因为蒸发对流强、辐射热流弱而使水雾形成冷目标；也可能因为辐射热流过强、散热弱而形成热目标。为详细揭示该现象，以Mie理论为基础，通过辐射传递方程和能量守恒方程的耦合计算，建立了水雾红外隐身产生冷目标或热目标效应

2、的数学模型。应用蒙特卡洛法与本文算法作对比，验证了模型的正确性；将水雾视为吸收、发射、各向异性散射介质，考虑水雾自身辐射、多重散射和各种换热过程，比如辐射热流、两相流的热传导、热对流、紊流热扩散以及雾滴蒸发等，反映了水雾热遮蔽所产生的冷／热目标效应。关键词人工水雾；冷／热目标效应；耦合换热；红外隐身；有限体积法中图分类号：(M82．6文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000-0593(2012)08—2204—05引言细水雾作为卤代烷的替代品在火灾安全领域已有着较多的研究和应用。其实现途径主要有两种，一是通过直接覆盖

3、火焰达到灭火的目的，于水军等已进行了大量研究口’21；二是通过形成雾状水幕遮蔽热辐射达到保护重要设备的目的，国内研究较少，Berour等[3,43做了很多有意义的工作。基于人工细水雾在火灾安全中的两种作用原理，通过水雾遮蔽军事目标的红外辐射信号达到对抗红外成像制导导弹目的已成为导弹防御领域的重要研究方向。国内对该领域的研究更多的是采用朗伯比尔定律计算红外辐射对水雾的透射率，胡慧茹等[5’63通过实验验证了水雾对热辐射的遮蔽效果；赵振维等[7’8]从不同角度计算分析了水雾的遮蔽性能，指出了其在水雾隐身领域的应用前景；丛北华等[9]在Mie

4、理论的基础上，通过忽略水雾自身辐射并将散射方向简化进行了模拟研究；陈中伟等[10]计算证明了细水雾遮蔽热辐射存在较强的多重散射，并用实验分析了细水雾的红外隐身作用。但总体讲，这些研究都是将水雾介质做灰体假设，对换热过程的描述也只局限于辐射换热。水雾红外隐身涉及到诸多换热过程，比如两相流的层流导热、紊流热扩散、对流、雾滴蒸发等。尤其是蒸发作用，当其换热强度大于辐射热流时，很可能使水雾区域低于环境温度(称为冷目标效应)；当其强度低于辐射热流时，则可能使水雾区域高于环境温度(称为热目标效应)。从已报道的工作看，国内缺乏该问题的研究，国外由于涉

5、及到军事技术，报道较少，本工作针对水雾红外隐身产生的两种效应展开研究。1数学模型对细水雾形成的雾墙作假设：水雾屏障为矩形且浓度分布均匀；热扩散过程只发生在X方向。热辐射在水雾中的衰减用辐射传输方程(RTE)描述[J妇_dla(r,O)一一(肠．^+仉，。)L(‘五)+％．。1tb，。+——1-一一一L肠．^十仉，^J』^kr'J』，十％．^，^十山舞J阳。L(‘五7)办(五，五’)d07(1)其中畅．。表示两相流的吸收系数，为雾滴吸收系数拗．a和吸收性气体的吸收系数％。之和屹．i。黝．^+鲰，^，脚．^一x(xJz／CC02+zH，Og

6、'H，()(2)式中，舨)【1，和翎，()分别表示C()2和Hz0的吸收系数，丑n和XH20分别表示cQ和HzO的体积分数zH。()一——————I———一，如b一0．0003(1一XH20)‘型+yf堡11‘一Xair＼zⅢ，(3)式中，y表示空气湿度；计算板xh和／cH20是很复杂的工作，非本研究重点，引用Soufiani等[123的研究成果(如图1)。雾滴吸收与散射系数采用Mie氏算法计算(如图2)嵇，^一Ml霄产嚣(r)Qbsdr(4)收稿日期：2012—02—22。修订日期：2012—05—20基金项目：国防预研基金项目(10

7、10502020202)资助作者简介：杜永成，1985年生，海军工程大学船舶与动力学院博士研究生e-mail：dycheng@Yeah．net万方数据第8期光谱学与光谱分析2205g皇g：§篁gUg‘=}2上《—一H20·—一CO,_A．／＼／0510152025303540Wavelength／proFig．IAbsorptioncoefficientsof00zandH2005101520253035WavelengtlVpm№2Absorptionandscatteringcoefficientsofdroplets仉．J—NOI

8、7c，玎(r)瓯dr(5)卉(n，n7)表示单位控制体内的雾滴散射相函数卉(五，五7)一上r瓯7【，力(，)乒(x，研)dr(6)行(r)表示服从对数正态分布的雾滴粒径础，一_=历忑1exprlnb(一岩)