Методики численного моделирования ИК излучения газотурбинных двигателей для оценки возможностей снижения заметности летательных аппаратов

Abstract

Исследованы существующие в мировой научной литературе методики расчета ИК-излучения газотурбинных двигателей (ГТД). Описан состав газов в выхлопе ГТД и приведены данные об основных спектральных свойствах таких газов, которые необходимо учитывать при моделировании ИК излучения двигателя. Составлен обзор существующих численных методов расчета взаимодействия ИК-излучения с газом внутри ГТД, и приведены литературные данные о точности таких методов. Поданы преимущества и недостатки line-by-line, зональных и глобальных методов моделирования газа для применения в инженерных расчетах авиаконструкторами, и установлены наиболее приемлемые по точности, простоте реализации и скорости счета методы из приведенного перечня. Поданы основные методы численного решения уравнения переноса ИК излучения в ГТД между его внутренними стенками и газом внутри двигателя. Показаны особенности реализации численного алгоритма на основе метода Монте—Карло для различных постановок задачи расчета ИК-заметности ГТД и выбран наиболее оптимальный метод для численного моделирования углового распределения ИК излучения в задней полусфере за срезом сопла двигателя.

Досліджено існуючі у світовій науковій літературі методики розрахунку ІЧ-випромінювання газотурбінних двигунів (ГТД). Описано склад газів у вихлопі ГТД та наведено дані про основні спектральні властивості таких газів, які необхідно враховувати при моделюванні ІЧ випромінювання ГТД. Розглянуто існуючі чисельні методи розрахунку взаємодії ІЧ випромінювання із газом всередині ГТД, та наведено дані стосовно точності таких методів. Оцінено переваги та недоліки line-by-line, зональних та глобальних методів моделювання випромінювання та поглинання газів для застосування у інженерних розрахунках авіаконструкторами, та встановлено найбільш прийнятні за точністю, простотою реалізації та швидкістю рахунку методи із наведеного переліку. Наведено перелік основних методів чисельного вирішення рівняння переносу ІЧ випромінювання в ГТД між його внутрішніми стінками та газом всередині двигуна. Показано особливості реалізації чисельного алгоритму на основі методу Монте—Карло для різних постановок задачі розрахунку ІЧ помітності ГТД та вибрано найбільш оптимальний метод для чисельного знаходження кутового розподілу ІЧ випромінювання у задній напівсфері за зрізом сопла двигуна.

Numerical methods for modeling the infrared (IR) radiation of gas turbine engines (GTE) existing in the literature are considered. The composition of the exhaust gases of the GTE is described, and the data on the main spectral properties of such gases are considered. It is shown that while exhaust gases of gas turbine engine consist mainly of CO₂, H₂O, and N₂, the main contribution to their total IR emission is made by CO₂ and H₂O, while role of N₂, CO, and compounds like SO₂, H₂, O₂, or NOₓ is negligible. The presence of soot in the exhaust plume results into the additional scattering of radiation on soot particles and a partial smoothing of the emission spectra of exhaust gases. This data should be taken into account when modeling the IR radiation of the engine. An overview of the existing numerical methods for calculating the interaction of IR radiation with a gas inside the GTE is provided. The literature data on the accuracy of such methods is given, and the factors affecting such accuracy for different methods are considered. The advantages and disadvantages of line-by-line, narrow band, and global gas modeling methods for the use in engineering calculations by aircraft constructors are presented. The methods most acceptable in terms of accuracy, simplicity and speed of calculation are pointed. The list of the main approaches to the numerical modeling of radiation transfer in GTE between its inner parts and the gas inside is given. The differences of implementations of the numerical algorithm based on the Monte Carlo method for different formulations of the problem of IR-visibility of GTE are shown. The appliance of gas modeling methods for calculations of IR field near the nozzle and at the large distances from the engine is discussed. The most optimal method for the numerical finding of the angular distribution of IR radiation in the rear hemisphere behind the engine nozzle is selected.