一种舰船排气红外隐身处理装置及方法

技术领域

本发明涉及舰船红外抑制技术领域，尤其涉及舰船排气红外隐身处理装置及方法。

背景技术

柴油机是船舶的重要动力装置，当柴油机工作时，柴油机表面的温度非常之高，较高的温度会使其电气控制元器件和其他附件的正常工作受到影响；又因为柴油机是放置在封闭的箱体内运行的，当柴油机温度过高会导致箱装体表面温度过高，箱装体对机舱的放热量也会大幅度增加，从而对船舶工作人员的安全工作产生很大的威胁，所以柴油机的冷却是船舶安全运行的重要条件。此外，在现代海上军事作战中，舰船的隐身能力显得尤为重要。舰船柴油机的排气烟道以及与其相连管道的可见金属壁面部分是向外辐射红外信号的主要源头，是红外制导武器的最佳打击目标。因此，为了有效提高舰船在风险较高海域内航行时的隐身性能与生存能力，必须有效消除或是降低排气管道及其附属结构向外辐射的红外信号，所以降低排烟温度、抑制红外信号成为了舰船柴油机排气系统研究的重要内容之一。引射冷却空气这一方式以其结构简单、冷却效果好等优势被广泛应用于排气系统中。近几年来，各种形式引射器的研究重点以引射效果为主，对红外特性的研究相对较少。同时就舰船而言，红外的指标大多仅提0°探测角和45°探测角性能要求。然而，随着国外海军作战能力的提高，尤其无人机技术的快速发展，提出90°探测角的红外指标要求迫在眉睫。而满足90°探测角的红外指标其核心技术在于降低气流中心的“高温核”。显然，目前已有的高温排气引射混合器应对上述问题存在瓶颈。因此，有必要提出一种更为高效合理的排气红外隐身处理方法，以期为提高我国舰船在世界上高风险海域航行时的生存能力提供技术参考。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种舰船排气红外隐身处理装置及方法，综合考虑舰船排气存在高温核得问题，对排气系统的红外抑制装置进行设计改造，从而对排气进行更为合理的温度控制和更为有效的冷却散热，减少排气的高温核效应，避免90°探测角的红外指标不满足要求。本申请中，气流从发动机出口流向气膜冷却环，为方便表述以气流的来向为前侧，以气流的去向为后侧。

一种舰船排气红外隐身处理装置，包括花瓣喷嘴、法兰连接件、混合管道和气膜冷却环，法兰连接件的一端与发动机排气口相连，其另一端连接花瓣喷嘴，在花瓣喷嘴后侧与花瓣喷嘴同轴的固定有混合管道，混合管道末端连接有气膜冷却环，气膜冷却环包括一个至多个扩压环。

优选的，还包括遮热罩，所述遮热罩为圆筒状柱体，其前端连接在混合管道前端内侧。

优选的，还包括导流锥，所述导流锥固定在混合管道内，其与混合管道同轴设置。

优选的，导流锥后侧外壁面具有螺纹片。

优选的，还包括水管、泵和调节阀，水管的一端连接到所述导流锥内部，其另一端连接泵，在水管上设置有调节阀；导流锥后侧外表面上设置有喷嘴，喷嘴与水管连接。

优选的，所述混合管道具有锥角以便于蒸汽水滴的收集。

优选的，遮热罩前侧设置有集水盘用于收集混合管道壁面上流下的水，集水盘上接有引流管。

优选的，所述导流锥内设置有喷雾通道，所述喷雾通道为内径随水流方向渐缩的静压结构，以保证水压的稳定。

优选的，所述导流锥通过水管连接在混合管道内壁上。

一种舰船排气红外隐身处理方法，其特征在于，舰船柴油机排气经过花瓣喷嘴引射周围的环境大气；参混后进入混合管，用导流锥将参混后的气流进行中心分离；分离后的气流经过螺纹片沿着轴向产生旋转速度，加剧高低温气流的混合；导流锥上的喷嘴向高温气流喷射水雾，通过相变的原理，减少了气流核心区的温度。

本发明提供了一种舰船排气红外隐身处理方法，舰船柴油机排气经过花瓣喷嘴引射周围的环境大气，参混后进入混合管，导流锥将参混后的气流进行中心分离，分离后的气流经过螺纹片沿着轴向产生旋转速度，加剧了高低温气流的混合。此外，导流锥上的喷嘴向高温气流喷射水雾，通过相变的原理，降低了气流核心区的温度。优选的，所述侧通风管道设置在电池箱相对的两侧，在电池箱与侧通风管道对应的侧面均设置有进风口，在电池箱上还设置有出风口。

本发明的有益效果是：

1.通过引射、相变、边界层分离等三种方法减少了排气的高温核效应，使得其红外指标显著降低，其结构简单，易于实现；

2.导流锥中的喷雾通道为渐缩形且设计的静压结构，两者保证了水压的稳定，极大的提高了喷雾的散热效果；

3.本发明中设计了泵和调节阀，当舰船面临非作战时，可关闭供水，减少系统的能耗及阻力，保证系统可靠性时同时兼具可调节性。

附图说明

图1为一种舰船排气红外隐身处理装置的结构示意图；

图2为舰船排气红外隐身处理装置的结构透视图；

图3为舰船排气红外隐身处理装置的导流锥结构；

图4为舰船排气红外隐身处理装置的引流管结构示意图；

图5为舰船排气红外隐身处理装置的集水盘正视图；

图6为舰船排气红外隐身处理装置的集水盘侧视图；

图7为舰船排气红外隐身处理装置的花瓣喷嘴结构示意图；

图8为舰船排气红外隐身处理装置的混合段结构示意图；

图9为实施例二与实施例三数值模拟时的模型示意图；

图10为实施例一中数值模拟时的模型示意图；

图11为实施例一至三中引射器出口面温度分布云图的对比；

图12为实施例一与对比例大径花瓣圆弧中央截面对应温度分布云图的对比；

图13为实施例一与对比例小径花瓣圆弧中央截面对应温度分布云图的对比；

图14为实施例一与对比例大径花瓣圆弧中央截面对应压力分布云图的对比；

图15为实施例一与对比例小径花瓣圆弧中央截面对应压力分布云图的对比。

其中，1-花瓣喷嘴、2-法兰连接件、3-混合管道、4-遮热罩、5-导流锥、6-水管、7-泵、8-调节阀、9-引流管、10-集水盘、11-气膜冷却环、12-螺纹片、13-喷雾通道、14-喷嘴、15-扩压环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

未进一步验证本发明的有效性，通过如下方式对本发明的技术方案的效果效果进行模拟测试，由图9及图10可知在进行数值模拟时考虑到模型的对称性，建立整个引射器1/4的模型，对模型做适当简化，简化了部分管路并在实际数值模拟时引射器外围附加合适大小的外圆场模拟被引射气体所处的环境。数值模拟时采用数值模拟软件fluent中内置的喷嘴选项，对喷雾情况进行模拟。

实施例一：

一种舰船排气红外隐身处理装置，包括花瓣喷嘴1、法兰连接件2、混合管道3、气膜冷却环11和遮热罩4，法兰连接件2的一端与发动机排气口相连其另一端连接花瓣喷嘴1，在花瓣喷嘴1后侧与花瓣喷嘴1同轴的固定有混合管道3，混合管道3末端连接有气膜冷却环11，气膜冷却环11包括一个至多个扩压环15；所述遮热罩4为圆筒状柱体，其前端连接在混合管道3前端内侧。

由图11，图12，图13，图14及图15可知，在没有添加导流锥和喷雾的情况下，在引射器出口截面的核心区温度依然有653K左右，核心区温度没有得到有效的降低，但其核心区面积相较与未加引射有所缩小，在流出引射器进入外界后由于核心区温度较高，在离引射器出口面5m处的核心区温度降低至560K左右；由于没有导流锥，所以系统的压损较小，喷嘴入口处的压力大约在65～75Pa左右。

实施例二

一种舰船排气红外隐身处理装置，包括花瓣喷嘴1、法兰连接件2、混合管道3、气膜冷却环11和遮热罩4，法兰连接件2的一端与发动机排气口相连其另一端连接花瓣喷嘴1，在花瓣喷嘴1后侧与花瓣喷嘴1同轴的固定有混合管道3，混合管道3末端连接有气膜冷却环11，气膜冷却环11包括一个至多个扩压环15；所述遮热罩4为圆筒状柱体，其前端连接在混合管道3前端内侧。

还包括导流锥5，所述导流锥5固定在混合管道3内，其与混合管道3同轴设置。导流锥5后侧外壁面具有螺纹片12。

由图11，图12，图13，图14及图15可知，在仅添加导流锥没有喷雾的情况下，虽然在引射器出口截面的核心区温度与实施例一相比没有降低，但核心区大小明显缩小，导流锥的增加促进了核心区与被引射气体的混合，提高了混合管道中的掺混效果；导流锥增加了系统的压损，喷嘴入口处的压力约在210～215Pa。

实施例三

一种舰船排气红外隐身处理装置，包括花瓣喷嘴1、法兰连接件2、混合管道3、气膜冷却环11和遮热罩4，法兰连接件2的一端与发动机排气口相连其另一端连接花瓣喷嘴1，在花瓣喷嘴1后侧与花瓣喷嘴1同轴的固定有混合管道3，所述混合管道3具有多段反方向的锥角以便于蒸汽水滴的收集；混合管道3前侧设置有集水盘10用于收集混合管道3壁面上流下的水，集水盘10上接有引流管9；混合管道3末端连接有气膜冷却环11，气膜冷却环11包括一个至多个扩压环；所述遮热罩4为圆筒状柱体，其前端连接在集水盘10前端内侧。

还包括导流锥5、水管6、泵7和调节阀8，所述导流锥5通过水管6连接在混合管道3内壁上，其与混合管道3同轴设置；导流锥5后侧外壁面具有螺纹片12；所述导流锥5内设置有喷雾通道13，水管6的一端连接到所述导流锥5内部与喷雾通道13，另一端连接泵7；导流锥5后侧外表面上设置有喷嘴14，所述喷嘴14与喷雾通道13相连通，在水管6上设置有调节阀8；所述喷雾通道13为内径随水流方向渐缩的静压结构，以保证水压的稳定。

舰船柴油机排气经过花瓣喷嘴引射周围的环境大气，参混后进入混合管，导流锥将参混后的气流进行中心分离，分离后的气流经过螺纹片沿着轴向产生旋转速度，加剧了高低温气流的混合。此外，导流锥上的喷嘴向高温气流喷射水雾，通过相变的原理，减少了气流核心区的温度。

由图11，图12，图13，图14及图15可知经过在导流锥上设置喷嘴对核心区气流进行喷雾降温，在引射器出口截面的核心区温度得到有效降低，由喷嘴入口时的653K迅速降低至引射器出口截面时的540K左右；在流出引射器进入外界后与外界的空气进一步混合在离引射器出口面5m处的核心区温度就降低至480K左右；由于花瓣喷嘴的大径花瓣的渐扩的造型，导致大径花瓣处的高温气流会向混合管道的方向冲击，遮热罩将这部分高温气体拦下的同时也有助于从大径花瓣喷出的高温气体与被引射的空气混合，提高掺混降温的效果；由于花瓣喷嘴的小径花瓣的渐缩的造型，导致小径花瓣处高温气体向内收缩，有利于这部分高温气体与喷嘴中喷出的水雾混合对核心区气流进行降温。

表1三种模型各引射器关键参数对比

通过对比，可以看出实施例一在未采取任何增强掺混效果或者降温措施下，在引射器的出口面核心区温度很高而且核心区的大小也较大，但相较于未添加引射有一定的红外抑制效果。实施例二加设导流锥后，高温烟气与被引射气体的掺混效果得到明显改善，引射器出口面的核心区温度虽然仍然很高，但核心区的大小相较不采取任何措施时明显缩小。实施例三采用导流锥并设置喷雾进行降温，核心区温度得到有效控制，有效提高了红外抑制的效果，虽然加装导流锥后系统的压降增大，但增大的范围在预期范围之中，不会对主机的正常工作造成负面影响。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。