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尾焰红外辐射特性计算研究综述

尾焰红外辐射特性计算研究综述

张术坤，蔡静

（中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095）

摘要：

目前，尾焰的红外辐射特性计算方法非常多。

虽然不同飞行目标尾焰红外辐射特性计算的复杂性有一定差别，但是其计算思路及方法很相似。

本文给出尾焰红外辐射特性计算的基本步骤，并对每一步中使用的主要方法进行分析和比较，给出推荐的使用方法。

重点讨论了液体燃料飞行目标尾焰中考虑粒子对于辐射的影响的必要性，及辐射传输方程中三种备受关注的求解方法的研究现状及特点。

指出目前红外辐射计算方法中存在的问题及改进方法，为今后尾焰辐射特性计算中方法研究和改进提出建议。

关键词：

尾焰；红外辐射特性；辐射传输方程；大气传输模型

中文图书分类号：

文献标识码：

OverviewofExhaustPlumeInfraredRadiationSignaturesCalculation

ZHANGShu-kun，CAIJing

（ChangchengInstituteofMetrology&Measurement,Beijing10095,China）

Abstract：

Atpresent,therearemanymethodsofcomputingtheinfraredradiationsignaturesoftheexhaustplume.Thecomplexityofdifferentinfraredradiationsignaturescalculationofflyingmachines’exhaustplumeisdifferent,butthebasicstepsandthemethodsaresimilartosomeextent.Inthispaper,thebasicstepsofinfraredradiationsignaturescalculationofexhaustplumearesummarized，andwecompareandanalyzethemainmethodsofeachsteptoofferagoodsuggestion.Weputemphasisontheimportanceoftakingintoaccounttheinfluencethattheparticleshavetotheplumeradiationofliquidfuelflyingmachines,andtheresearchsituationandfeaturesofthreeappealingsolvingmethodsoftheradiativetransportequation.Wepointouttheproblemsinthepresentmethodofcomputingtheinfraredradiationandtheimprovingmethodisalsooffered.Thesuggestionismadeforfutureresearchinthemethodofcomputingtheinfraredradiationsignaturesoftheexhaustplume.

Keywords：

exhaustplume;infraredradiationcharacteristic;Radiativetransportequation；Atmospheretranslationmodel

1引言

尾焰辐射特性的计算研究较多的是火箭尾焰的计算。

由于飞机尾焰辐射为飞机主要辐射源之一，因此人们也开始关心飞机尾焰的红外辐射特性。

飞机尾焰的计算也可以采取类似于计算液体火箭尾焰的方法进行。

在液体火箭和飞机尾焰红外辐射特性的计算中，为了简化计算，人们常常忽略粒子的影响，将尾焰作为纯气体计算。

一般说来，尾焰红外辐射特性的计算基本遵循下面的步骤进行：

图1尾焰红外辐射特性计算流程

在每一部分的计算中，都有很多方法可以选择，下文将对每部分使用的主要方法进行概述，重点介绍每种方法的现状及特点，从而给出本文推荐使用的方法。

1尾焰流场计算

尾焰流场的计算主要包括温度、压力场及组分浓度场的计算，归纳起来主要有两类方法，一是采用理想模型、半经验公式进行计算。

二是利用CFD软件计算。

1.1理想湍流射流模型

该方法假设尾焰为理想的湍流射流，利用理想的湍流射流模型进行计算[2]。

如图2，该方法的特点是将尾焰分为初始段（

）和主段（

）两个部分，并且假设初始段存在一个组分压强和温度恒定的核心区（斜线区），初始段和主段采用不同公式计算。

该计算方法计算公式简单，能很快得到尾焰流场参数，且可以与尾焰辐射算法程序很好的结合，所以很多文献使用了这种方法。

图2尾喷管尾焰信号流场分布示意图

1.2利用CFD软件计算

目前CFD软件有很多，例如CFX、FLUENT、PHOENICS、STAR-CD等，国内应用较多的是FLUENT。

为了简化计算，一般对于简单的圆喷管只进行二维数值模拟，再利用其对称性将尾焰流场数据扩展到三维空间中。

在实际飞行中，尾焰流场受到很多因素的影响，如飞行目标形状、海拔以及喷管形状（如二元喷管）等，所以如果进行更为细致的研究，应采用三维的数值模拟[8]。

利用CFD软件计算的优点是显而易见的，例如可以进行三维数值模拟，可以选择湍流模型，最终可以获得温度场、压力场、组分浓度场等更为详细的流场参数。

但是利用CFD软件也有一定缺点，很多尾焰红外辐射特性计算方法不能很好的与CFD软件计算的流场相结合。

所以，国内在尾焰红外辐射特性的计算研究中往往利用理想湍流射流模型或者半经验公式进行流场参数的计算。

2尾焰辐射参数计算

尾焰辐射参数包括气体辐射参数和粒子辐射参数的计算，粒子辐射参数计算目前广泛应用的是Mie理论。

气体辐射参数计算主要有三种方方法：

逐线计算法、谱带模型法、

-分布方法。

逐线计算法是逐条计入气体吸收谱线贡献的一种精确计算方法，但是其计算速度慢，计算成本高，所以工程中一般不使用这种方法。

谱带模型法是将某一波数间隔内的光谱线排列、重叠性质与单个谱线性质联系起来的计算透过率的方法。

该方法计算简单，速度快，如今依然有很多文献中采用该方法。

其缺点是，如果不借助其它近似，则不能处理重叠吸收带，而且不能处理具有散射的辐射传输问题。

-分布方法假定大气吸收系数在不同压力和温度下存在一一对应关系，由此可以将对波数的积分转化为对吸收系数的积分，大大简化了计算。

该方法的优点是精度高速度快，可以较好地处理重叠吸收带，以及同时处理吸收与散射问题。

所以本文推荐在尾焰辐射相关参数采用

-分布的方法来计算。

3辐射传输方程的离散和求解

通过求解辐射传输方程来研究尾焰红外辐射特性是主要的计算尾焰的红外辐射特性的方法，归纳起来可以分成两大类，一类是不考虑固体粒子吸收与发射的准气体模型，准气体模型使喷焰辐射的计算大为简化；另一类是考虑气体及固体粒子的吸收、发射，还考虑固体粒子散射的模型。

在液体燃料飞行目标尾焰中，粒子成分比较少，人们为了简化起见，往往忽略粒子对于辐射影响。

所以很多文献中依然采用准气体模型来解决这类问题，例如目前依然有很多文献中使用NASA推荐的C-G近似谱带模型法计算液体火箭及飞机尾焰红外辐射特性模拟[2-5]。

这在精度要求不高的理想状态下是可行的。

然而，随着对尾焰红外辐射特性测量水平及数值模拟精度要求的提高，人们认识到在液体燃料飞行目标尾焰红外辐射特性的模拟中有必要加入粒子对于辐射的影响，这样得到结果与实际测量结果更相符。

如图3和图4为文献中给出的某型Atlas火箭在海拔40km处飞行中测量与计算结果的比较[8]。

可见加入碳粒子后的计算结果与测量的光谱特征更相符合。

图3某型Atlas火箭在40km高度飞行时测量光谱与计算结果比较（不考虑粒子影响）

图4某型Atlas火箭在40km高度飞行时测量光谱与计算结果比较（含粒子）

因此在后文中我们主要介绍了可以考虑粒子对于辐射影响的三种典型方法。

包括热流法、有限体积法及反向蒙特卡洛法。

这里的选择是有根据的，美国目前依然在使用的标准红外辐射模型（SIRRM）就是基于双热流法及六热流法发展起来的[6]。

近年来发展起来的有限体积法计算工作量较小，计算精度高，而且对非规则计算域的适应性强，所以得到愈来愈多的重视和研究。

反向蒙特卡洛法在处理小区域或小立体角接收到的辐射能量问题是很有效，效率远高于正向蒙特卡洛法。

它属于概率统计的方法，所以理论上讲，只要模拟的次数足够多，计算结果会逐渐接近精确解，所以一般其他方法都可以与其进行比较确定其精确性。

3.1热流法——源项六流法

热流法的基本思想是将辐射强度在某一立体角范围内简化成均匀的或具有某一简单分布特性，使得辐射传输方程求解复杂性大大减小。

目前应用较多的是Schuster-Schwarzschild近似法和Milne-Eddingron近似法。

由于热流法具有原理简单、计算速度快、可以直接模拟任意方向辐射强度等优点，所以人们一直重视其发展与研究。

热流法根据处理问题的维数，可以细分为双热流法、四热流法和六热流法。

阮立明等人基于传统热流法，提出了计算导弹发动机尾焰红外辐射特性的源项六流法模型[7]。

源项六流法将圆柱坐标系下沿着

（周向）、

（径向）、

（轴向）3个坐标轴方向的六流辐射传输方程进行变换处理，最终可得任意探测线L方向的辐射传输方程式为：

（2）

其中

为各个方向传输方程中都存在的相同的项，定义其为广义源项。

（3）

当计算区域网格及物性参数不变时，每个单元的广义源项为确定值，这也是该方法的建立模型的前提和根据。

根据上面的理论及公式及可完成对圆柱体的任意探测线

的出射辐射强度的求解。

如图5为分别利用源项六流法（SSF）与反向蒙特卡洛法（BMC）、二流法（TFM）计算了圆柱形参与性介质的方向辐射强度分布情况。

可见如果以BMC法为标准，则SSF模型比TFM模型有更精确的结果。

计算时间要远小于BMC法，与TFM法接近。

热流法是将微元体界面上的半球空间热辐射简化成垂直于此界面的均匀强度或热流，然而实际介质中的微元体界面不但有垂直于界面辐射能射入，其它方向也有辐射能射入，即

、

、

之间存在着某种联系，而热流法割断了它们之间的联系，造成方程物理上的不真实，这也是热流法计算误差较大的主要原因，需要在今后的研究中不断改善。

另外热流法不适用于含强各向异性散射的辐射问题[1]。

图5

方向出射辐射亮度分布

3.2有限体积法

有限体积法是Raithby和Chui首先提出来的，此后，不少研究者用该方法处理各种热辐射传输的问题。

由于其易于处理多维复杂几何形状、各项异性散射和物性参数等问题，且等够与流场的传输方程的数值求解相结合，所以受到越来越多人的重视。

有限体积法（FVM）是将计算空间划分成一定数目的控制体，在每一个控制体中连续的角空间划分为一定数目的控制角，从而得到计算区域中不同位置、不同方向上的辐射强度离散表达式。

有限体积法的基本思想是保证在每个立体角内其辐射能量守恒。

蔡国标等人利用有限体积法计算的固体火箭表面光谱辐射强度[9]，如图6。

表面光谱辐射强度是指在每个波长下源光谱辐射强度乘以源光谱辐射强度得到的，这个也是光谱仪最终测到的能量。

图6固体火箭2~6

表面光谱辐射强度

随后，蔡国标等人又进行了实验对比研究[10]，对比结果如下表，波段一指2.7

波段，波段二指4.3

波段，可以看出虽然红外辐射特性实测值与计算值之间误差依然偏大（实验本身也存在误差），但是结果还是比较相符的，这表明了计算模型合理性，计算方法正确性。

表1缩尺火箭喷流红外辐射特性的计算值与实验值比较

（环境压力90KPa,推进剂不含铝）

目前国内的一些文献中使用此方法计算尾焰辐射特性，误差依然比较大，误差主要来源于空间网格离散、及立体角离散而产生的离散误差。

为了得到更满意的结果，人们逐渐开始重视影响其计算精度因素的研究，如齐宏等人研究了离散格式对于计算精度的影响[11]，研究表明空间离散网格采用等面积网格的划分方法，立体角度离散采用类似于离散坐标法的离散方法得到计算结果的精度更高。

刘友宏研究了离散光谱分辨率对尾焰红外辐射特性FVM计算的影响[12]，并提出了离散光谱分辨率无关解准则，最终还给出了飞机喷流2～5

红外光谱区间中达到离散光谱分辨率无关解的条件，即波段内要划分150个以上等间隔光谱微元。

随着研究的不断深入，有限体积法将在红外辐射特性计算中发挥越来越大的作用。

3.3蒙特卡洛法——反向蒙特卡洛法

蒙特卡洛方法是一种概率模拟的方法，通过介质中大量的传输的光束来模拟辐射传输过程。

蒙特卡洛方法包括正向蒙特卡洛法（又称为标准蒙特卡洛法或前向蒙特卡洛法）和反向蒙特卡洛法。

正向蒙特卡洛法是从辐射的发射点开始，历经衰减和散射等各种传输事件，直到光线逸出流场或到达目标表面（如探测器），而反向蒙特卡洛法，则是从终点开始，例如从探测器开始，逆向跟踪光束路径，从而确定有多少束沿着路径发射的辐射能进入探测器。

对于模拟测量的问题，尽管只有很少的一部分进入探测器，然而前向蒙特卡洛法要发射和跟踪非常多的光束，所以效率很低。

然而反向蒙特卡洛法能很好的解决这一问题。

反向蒙特卡洛法主要依据是辐射传递中的互易原理[14]。

反向蒙特卡罗法思想早在1992年被Nelson用来解决火箭基底受热问题，而后有不少研究者用它来解决热辐射传递问题。

Modest在总结前人研究成果的基础上，给出了能够处理发射、吸收和各向异性散射介质的普遍性的公式[16]。

刘林华在此基础上，又发展了基于辐射传递因子的反向蒙特卡洛法[17]，其后帅永等人将其应用于尾焰的辐射特性的计算中[18,19]。

基于辐射传递因子的反向蒙特卡洛法提高了处理温度场改变但是吸收系数和散射系数不取决于温度的问题中的效率。

若吸收系数和散射系数随温度场改变，效率与Modest提出的相同。

反向蒙特卡洛法在处理小表面或小立体角接收到的辐射能量问题是很有效。

相反，如果辐射源局限于一个小体积内或小立体角内时，正向蒙特卡洛法是最有效的。

但是对于一个小的探测器接收小的辐射源的辐射能量的模拟往往效率非常低甚至失败。

对于尾焰红外辐射特性的计算，这里主要举两个例子来比较和说明反向蒙特卡洛法的应用情况。

K.C.Wang采用了反向蒙特卡洛法计算了火箭尾焰辐射对于火箭基底的加热问题[15]，其实质就是尾焰的辐射特性计算问题，如图7。

该文献的整个计算模拟比较符合工程实际，并且考虑了大气的衰减对于辐射的影响，可以直接与测量结果进行比较，工程应用中非常值得借鉴。

但是该方法只能得到一个总的能量值，却不能给出尾焰辐射热流的详细分布情况。

图7反向蒙特卡洛法模拟尾焰辐射示意图

如果探测器（接收面）取在尾焰模型上，就可以得到不同方向尾焰辐射热流的轴向分布情况以及近域全场的辐射光谱辐射强度，如图8为利用反向蒙特卡洛法计算的固体火箭近域全场光谱辐射强度分布情况[18]，图中

为探测器与尾焰轴向夹角。

图8BMC法计算近域全场光谱辐射强度（

）

反向蒙特卡洛法相对与正向蒙特卡洛法而言，效率有了很大的提高，然而相对于热流法而言依然较长，但是随着计算机技术的提高及计算方法的不断优化，其效率也会不断提高的。

蒙特卡洛法误差主要来源于伪随机数的优劣。

目前伪随机数主要采用伪随机数程序产生，在使用前，要对其进行均匀性和独立性的检验，以确定其满足使用要求，然而这些检验方法都是必要非充分条件，所以人们也开始研究更为充分的伪随机数检验方法，例如帅永等人提出了蒙特卡洛模拟中伪随机数的STRTDM检验方法。

4在大气中的传输特性计算

目前，比较通用的大气传输模型有，LOWTRAN，MODTRAN和FASCODE，它们是由美国空军地球物理实验室（AFGL）根据不同的应用目的而开发和研制的。

其中LOWTRAN的分辨率最低为20cm-1,比较适合30km以下低空大气辐射传输计算；MODTRAN改进了LOWTRAN的分辨率，其标称光谱分辨率为2cm-1，比较适合60km以下高度的情况。

FASCODE分辨率最高，适合于非常窄的光学带宽的辐射传输问题，例如激光传输问题。

对于高空大气传输的计算，美国AFRL研制开发了用于计算50到300km的高分辨率的SHARC软件，并且将MODTRAN与SHARC集成为一个适合于低空、高空大气传输计算的SAMM软件[20]，具有很好的应用前景。

5．结论

（1）在液体燃料飞行目标的尾焰红外辐射特性模拟中，为了使尾焰红外辐射特征数值模拟与测量结果更相符，辐射组分中有必要包含固态粒子的影响。

（2）在实际数值模拟中，尾焰流场最好采用成熟的流体计算软件而非经验公式来计算，对尾焰的流场模拟可以根据喷管形状、是否考虑机体对于尾焰影响等因素来确定二维还是三维模拟；

（3）尾焰辐射特性参数计算推荐采用

-分布方法；

（4）辐射传输方程的求解推荐了热流法、有限体积法和反向蒙特卡洛法，并介绍了它们的研究现状及特点，为今后方法的选择和研究提供依据。

（5）研制适合于低空、高空的高分辨率大气辐射传输的通用软件将成为未来发展的趋势。

参考文献

[1]TanHeping,XiaXinlin,Liulinhua.etal.Numericalcomputationofinfraredradiationcharacteristicsandtransmission:

Computationalradiation[M],Harbin:

HarbinInstituteofTechnologyPress,2006（谈和平，夏新林，刘林华，等，红外辐射特性与传输的数值计算：

计算辐射学[M].哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2006）

[2]GaoSili,TangXinyi.Buildingmodeloftheplumereleasedfromtheflyingmachineandsimulation[J].Opto-ElectronicEngineering,2007,34（8）:

26-27.（高思莉，汤心溢.空中飞行目标尾焰红外辐射信号的建模与仿真[J].光电工程,2007,34（8）:

26-27.

[3]LiHuiping,ZhouQibo,KuangDingbo.SimulationofinfraredradiationofaircraftplumebasedonparticalsystemandC-Galgorithm[J].InfraredandLaserEngineering.2008,37（Sup）：

601-603.

（李惠萍，周起勃，匡定波.基于粒子系统和C-G法的尾焰红外模拟[J].红外与激光工程,2008,37（增刊）：

601-603.）

[4]XieXufen,RenZhibin,CaoXiaoyan.Modelbuildingandanalysesoninfraredradiationcharacteristicsofexhaustplumeofcruisemissile[J].Opto-ElectronicEngineering,2009，36（4）:

70-73.（谢蓄芬，任智斌，曹小燕.巡航导弹尾焰红外辐射特性建模及分析[J].光电工程，2009，36（4）:

70-73.）

[5]WanMin,LengJie,YangRuietal.Computationonspectralandspatialdistributioncharacteristicsofinfraredradiationofplume[J].CHINESEJOURNALOFLASERS,2006,33（Sup）:

388-390.万敏，冷杰，杨锐，等.尾焰红外辐射的光谱特性及空间分布特性的计算[J].中国激光，2006,33（增刊）：

388-390.

[6]C.B.Ludwig,W.Malkmus,J.Walker.Thestandardinfraredradiationmodel[C].AIAA,1981,1051:

1-9.

[7]RuanLiming,QiHong,WangShenggang,etal.Numericalsimulationoftheinfraredcharacteristicofmissileexhaustplume[J].InfraredandLaserEngineering,2008，37（6）：

959-962.

（阮立明，齐宏，王圣刚，等.导弹尾喷焰目标红外特性的数值仿真[J].红外与激光工程，2008，37（6）：

959-962.）

[8]A.A.Alexeenko,N.E.Gimelshein,D.A.Levin.etal.ModelingofflowandradiationintheAtlasplume[J].ThermophysicsandHeatTransfer,2002,16

（1）:

50-57.

[9]M.B.Garrison,T.Ozawa,D.A.Levin.Animprovedandsootinfraredradiationmodelsforhightemperatureflows[C].AIAA,2005,4777:

1-24.

[10]GuobiaoCai,DingqiangZhu,XiaoyingZhang,Numericalsimulationoftheinfraredradiativesignaturesofliquidandsolidrocketplumes[J],AerospaceScienceandTechnology,2007,11:

473-480.

[11]ZhuDingqiang,XiangHongjun,CaiGuobiao,etal.Measurementandcalculationresearchofinfraredradiationforsolidrocketmotorplume[J].JournalofAstronautics,2008，29

（1）：

255-259.（朱定强，向红军,蔡国飙，等.固体火箭喷流红外辐射实验及计算研究[J].宇航学报，2008，29

（1）：

255-259.）

[12]QiHong,RuanLiming,DongShikui,etal.Influenceofdiscreteschemesonaccuracyofradiativeheattransferbythefinitevolumemethod[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology,2005,37（12）:

1621-1623.（齐宏,阮立明,董十奎,等.离散格式对辐射换热有限体积法精度的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2005,37（12）:

1621-1623.）

[13]LiuYouhong.Effectofdiscretespectralresolut