Физическое и математическое моделирование теплового излучения пространственного излучателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Евдокимов, Илья Евгеньевич

• Евдокимов, Илья Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Евдокимов, Илья Евгеньевич

Оглавление

Список сокращений

Введение

1 Тепловая модель сложного излучателя

1.1 Моделирование теплообмена методами ВГД

1.1.1 Основные уравнения. Система уравнений Навье-Стокса

1.1.2 Моделирование турбулентных течений

1.1.3 Описание математической модели

1.2 Результаты газодинамических расчётов

1.3 Результаты расчёта теплообмена. Влияние дискретизации при-

стеночного слоя

1.4 Экспериментальная проверка тепловой модели

1.5 Оценка влияния излучения на тепловое состояние наружной

стенки

1.5.1 Сравнение вариантов расчётных моделей

1.5.2 Сравнение расчётных результатов, данных термометрирова-

ния и термографирования

2 Пространственное распределение ИК-излучения сложного излучателя

2.1 Основные энергетические характеристики ИК-излучения

2.2 Температурное излучение нагретых тел

2.3 Закон Планка. Излучение абсолютно чёрного тела

2.4 Испускание и отражение ИК-излучения различными типами

поверхностей

2.5 Расчёт ИК-излучения модельного излучателя

2.5.1 Базовые принципы программы расчёта излучения

2.5.2 Представление геометрических данных

2.5.3 Расчёт излучения элементарной площадки

2.5.4 Расчёт излучения ламбертовых поверхностей с учётом пе-

реотражений методом линейных уравнений

2.5.5 Апробация алгоритма расчёта на элементарных излучателях

2.5.6 Модель тарельчатого диффузного отражателя: эксперимент

и расчёт

2.5.7 Общая методика расчёта сложного излучателя

2.5.8 Погрешности расчёта, связанные с качеством фасеточной

поверхности

3 Экспериментальное исследование ИК-излучения ТС-21

3.1 Исследование тепловизором ИЛЯ Б65

3.1.1 Тепловизионные измерения

3.1.2 Модель АЧТ

3.1.3 Обработка результатов термографирования модели АЧТ

3.1.4 Выводы по термографированию модели АЧТ

3.2 Методика радиометрических измерений с помощью тепловизора

3.2.1 Оптические параметры тепловизора

3.2.2 Схема и алгоритм эксперимента

3.2.3 Обработка результатов эксперимента

3.3 Методика измерения излучения при помощи спектрофотометра ИКС-29

3.3.1 Описание экспериментального стенда

3.3.2 Оптическая система глобара

3.3.3 Определение истинной температуры глобара

3.3.4 Определение поправочного коэффициента, учитывающего

зашумлённую часть спектра

3.3.5 Оптическая зеркальная система исследуемого излучателя

3.3.6 Предварительная обработка экспериментальных данных

3.3.7 Методика измерений спектральной интенсивности излучения

3.3.8 Анализ погрешностей эксперимента

3.3.9 Анализ расчётно-экспериментальных данных

Заключение

Литература

Список сокращений

Л длина волны излучения, мкм

/ сила излучения, Вт/ср L энергетическая яркость, Вт/м2 • ср М энергетическая светимость, Вт/м2

RANS Моделирование на базе осреднённых уравнений Рейнольдса (Reynolds Averaging based Numerical Simulations)

BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Function

АД авиационный двигатель

АЧТ абсолютно чёрное тело

ГСН головка самонаведения

ДФО двухлучевая функция отражения

ИК инфракрасное излучение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физическое и математическое моделирование теплового излучения пространственного излучателя»

Введение

Обзор предыдущих исследований и актуальность темы. Настоящая работа является частью более общих работ по созданию прикладной программы расчёта оптических характеристик сложных излучателей. Область исследований затрагивает проблемы расчёта явления переноса излучения между диффузными и' зеркальными поверхностями в излучающей, поглощающей и рассеивающей среде в диапазоне длин волн, характерных для теплового излучения.

Если для экспериментальных работ характерно использование небольших по размерам объектов исследования, то для расчётных зачастую используются масштабные объекты и сцены, требующие трудоёмких вычислений. Следует отметить современные работы, опубликованные в зарубежных журналах и материалах конференций, посвящённые моделированию теплового излучения фюзеляжа самолётов и реактивной струи, обнаружению мин по тепловому следу [1], [2]. В настоящее время в России нет программ, предназначенных для расчёта энергетических характеристик сложных излучателей и соответствующих мировому уровню развития науки в этой области. В обширном исследовании [3] приведено большое количество ссылок и сделан обзор современных средств расчёта, принятых в США и странах НАТО в качестве стандарта или используемых в западных фирмах для собственных исследований. Поэтому здесь нет необходимости рассматривать все существующие средства расчёта и разбираться в их достоинствах и недостатках, достаточно затронуть общие классические методы в привязке к существующим современным исследованиям.

В общем случае любой излучатель может быть представлен в виде совокупности аналитических поверхностей либо геометрических областей, заданных численно тем или иным методом (облако точек, элементар-

ных площадок и т.д.). Аналитическое определение излучающих поверхностей имеет большое преимущество - они могут быть быстро рассчитаны аналитическими же методами, при наличии достаточно общих зависимостей, в пакетах символьных алгебраических вычислений (например, Maxima). Интегральные методы расчёта лучистого теплообмена хорошо изучены и могут быть успешно применены для широкого класса отражателей, интерпретируемых кусочно-гладкими поверхностями (см. [4], [5]). Например, в исследовании [6] успешно выполнен расчёт (применяется метод угловых коэффициентов для плоской расчётной схемы) различных схем интеграции фюзеляжа и сопла перспективного авиационного двигателя, реализующих различные возможности охлаждения наружной поверхности фюзеляжа и, как следствие, снижающих тепловую за-метность самолёта. В статье корейских исследователей [7] для расчёта выбрана аналогичная схема [6], но основной упор сделан на использование уравнений Навье-Стокса для расчёта течения охлаждающего газа в защитных оболочках двигателя.

Помимо применения интегральных зависимостей, для расчёта лучистого теплообмена также используются те или иные численные методы. Часто численные методы расчёта переноса лучистой энергии реализуются как часть более трудоёмких и сложных расчётов сложного теплообмена в совокупности с расчётом уравнений механики сплошной среды. В системе ANSYS CFX реализованы методы расчёта переноса излучения Р1 (сферических гармоник), Монте-Карло и метод Дискретных координат [8]. Последние два используются для расчёта переноса излучения в поглощающе-излучающей среде. Известна реализация численного метода расчёта лучистого теплообмена Р1 для открытого пакета газодинамических расчётов OpenFOAM [9]. Все перечисленные методы и программные продукты используются для расчётов процессов горения, сложного теплообмена и только путём сложных манипуляций с расчёт-

ным комплексом позволяют получить характеристики пространственного распределения теплового излучения изучаемого объекта.

В свете перечисленных особенностей коммерческих и некоммерческих систем актуальной является задача численного расчёта излучателя произвольной формы. Такой подход позволяет достигнуть полной универсальности и абстрагирования от формы объекта при расчёте распределения силы излучения в трёхмерной постановке и намечает перспективы развития алгоритма в сторону его усложнения: рассмотрения дополнительных источников теплового излучения (Солнца, поверхности Земли) и атмосферного рассеяния.

Для того чтобы составить детальное понятие о современном уровне науки в области, достаточно изучить успехи французских исследователей, отражённые в итоговой работе [1]. В данной работе исследовалось сигнатура самолёта F-16 с учётом излучения фюзеляжа и реактивной струи на форсированном режиме. Французский расчётный комплекс разрабатывался в течение более чем десятилетнего срока аналогично многим другим западным программам и расчётным комплексам, ориентированным преимущественно на использование в военных целях и ставшими стандартами в своей области (LOWTRAN, NIRATRAM, и др., см. [3]). Характерные особенности инструмента, разработанного французской фирмой Oktal Synthetic Environment: возможность расчёта излучения от объектов со сложной геометрической характеристикой и различными свойствами поверхности с учётом поглощающей и рассеивающей среды, в которой находится объект, в условиях атмосферы (с учётом облаков и солнечного излучения), в условиях произвольного окружения (городская застройка, природный ландшафт), учёт сложного теплообмена между объектами сцены. Неизвестно, насколько разработанная программа соответствует требованиям к получению точных количественных характеристик энергетических потоков, однако, согласно публикациям,

световое моделирование отличается реалистичностью, и подтверждение расчётных результатов, например, по истребителю F-16, было запланировано [1].

Отечесвенные исследования в области теплового излучения военной техники являются секретными, и доступ к ним закрыт. В связи с этим данные разработки находятся вне научной дискуссии и невозможно сделать вывод о качествах разработанных моделей (например, ЦИАМ). В то же время наличие немногочисленных опубликованных работ Илларионова В.Ф. и др. [10], Мочалина В.Д. [12], Абдрашитова К.Х. [11], говорит об отсутствии реальных работающих средств расчёта ИК-излучения разнообразных технических объектов, в том числе авиационных двигателей, пригодных для использования в инженерной практике. Из перечисленных работ наибольшую научную ценность представляет работа специалистов ЦАГИ [10]. Авторы рассматривают два случая отражения от цилиндрической поверхности: диффузный и диффузно-зеркальный. Данная работа носит конкретный характер, и авторами не было изложено универсальной методики, которая могла бы быть применена к телам произвольной формы. В 2009 году одним из авторов статьи, Корниловым A.B., была опубликована работа [13], обобщающая труды группы [10], [14], [15]. По сравнению с ранее опубликованными материалами, она не содержала ничего нового и, в основном, обращала внимание на важность моделирования излучения сложных тел с помощью BRDF-функций (функция двунаправленного рассеяния-отражения).

Упомянутая работа Мочалина [12] слаба и её содержание не соответствует заголовку статьи. Автор приводит, в основном, метод расчёта теплового состояния некоего наземного объекта и решает задачу температурного состояния его поверхности на некотором подстилающем фоне. Работа подобного характера была бы полезна в случае разработки единого комплекса расчёта и моделирования тепловой сигнатуры наземных

объектов, аналогичного разработанным в странах НАТО. В работе Абдрашитова К.Х [11] приводится расчёт теплового излучения авиационной ДУ в ANSYS CFX. Расчёт был произведён без учёта течения газа в сопле, и, по сути, был предложен метод использования сложного пакета инженерного анализа для расчёта силы теплового излучения от излучателя с заданной температурой стенок.

Важно понимать, что при создании по-настоящему современной расчётной программы для последующих прикладных и технических исследований нельзя ограничиваться узкими рамками конкретных расчётных случаев. Программа должна иметь необходимый комплект экспериментальных данных, на основе которых она может быть разносторонне проверена как самими разработчиками, так и её пользователями. Поэтому в контексте развития отечественного многоцелевого расчётного комплекса для расчёта излучателей сложной формы экспериментальное исследование является необходимым и актуальным.

Применительно к методам экспериментального исследования инфракрасного (ИК) излучения двигательных установок в последнее время за границей были успешно применены малогабаритные авиационные двигатели. В работе [16] исследовалось влияние сопловых насадок различной формы на характеристики ИК-излучения двигательной установки и величину потерь тяги. В диссетрации [17] и статье [18], опубликованной на её основе, предлагается метод снижения ИК излучения двигательной установки с помощью создания завесы из азота или воды по периметру среза сопла.

В качестве объекта экспериментального исследования (широких и глубоких расчётов в данных работах выполнено не было) в последней работе был также выбран малогабаритный двигатель Noel Penny Turbines 401 с максимальной тягой 1 кН и расходом 2 кг/с. Использование двигателей небольшого размера, обычно предназначенных для лаборатор-

ных работ [19], позволяет существенно снизить расходы на исследования, позволяя проверить основные прикладные алгоритмы, предназначенные для более крупных объектов, - авиационных двигателей и фюзеляжей летательных аппаратов (ЛА). Исследование характеристик моделей может быть приемлемо также и в случае изучения распределения теплового излучения от фюзеляжа - в статье [15] предлагается подобная модельная установка.

С точки зрения современных методов экспериментального исследования излучения сложных объектов остаётся ряд открытых вопросов методического характера, связанных с используемым оборудованием. В работах [17], [18] для получения данных об эффективности действия экрана-завесы использовался тепловизор и зеркало с алюминиевым покрытием. В работе [20] обосновывается использование тепловизора в целях экспериментального исследования лучистых потоков от тел сложной формы. Авторами были описаны основные трудности, возникающие при использовании подобного оборудования, а также указано его основное достоинство - получение тепловых изображений, термограмм объекта в целом. Как показывает практика, тепловизионное оборудовние может быть успешно использовано для экспериментальной отработки кодов только в случае моделирования "температурного"изображения, аналогичного получаемым с помощью тепловизоров. В работе [21] приводятся результаты валидации кода БЫрЩ, предназначенного для моделирования ЗБ сцен с участием боевых корабле. В результате работы 8Ыр111 исследователь как раз получает термограмму объекта, аналогичную полученному с помощью тепловизора. Код рассчитывает излучение солнца, отражение моря, рассеяние и поглощение тепла атмосферой, теплообмен между поверхностями корабля. Экспериментальная проверка включала в себя полномасштабные измерения на местности, выполненные несколькими странами совместно (США, Канада, Норвегия, Польша, Дания, Голландия, Фран-

ция, Италия). Примечательно, что в списке экспериментального оборудования присутствовала камера Agema 880, для которой обосновывалась методика [20] ЦАГИ. Основная трудность в подобных измерениях заключается в том, что тепловизионное оборудование поставляется в целом "как есть". Пользователю выводится уже обработанный массив данных, тогда как практическую полезность представляют данные, генерируемые непосредственно матрицей чувствительных элементов. В такой ситуации практический интерес представляет разработка средств расчёта, способных моделировать тепловое изображение в виде яркостных температур, иначе неизбежными являются обратные преобразования температур, полученных при помощи тепловизора, с необходимостью принятия допущений о "сером теле". Кроме того, ещё один существенный недостаток тепловизоров заключается в том, что полупроводниковые регистраторы излучений сами по себе не способны регистрировать непрерывный спектр, оптимизированы для некоторых узких диапазонов измерений и неизбежно "экстраполируют"измерения на основе формулы Планка. Всё вышеперечисленное вносит дополнительные погрешности, связанные с преобразованием лучистых потоков и обратным вычислением их значений. Такие погрешности априорно методически неприемлемы при изначальном стремлении к точным измерениям (тепловая модель может вносить сама по себе большие погрешности). Для программы, которая рассчитывает суммарные тепловые потоки (или их спектральную интенсивность), наиболее важно получать экспериментальные данные непосредственно в тех величинах, которые рассчитываются. В этом случае использование сложных и дорогих спектральных приборов является оправданным.

Несмотря на объективные недостатки использования тепловизион-ной техники для регистрации непосредственно спектральных интенсив-ностей, использование её в качестве инструмента измерения температуры поверхности может быть очень полезным для проверки тепловых МО-

делей. Это требует контрольных замеров степени черноты образцов или установки контрольных термопар.

Кроме того, имеется возможность использования тепловизора при наличии его калибровочной характеристики. В этом случае исследуется некалиброванный сигнал полученный при съёмке заданного объекта, с учётом его зависимости от произведения С ■ И^ег> гДе С - константа, И^еь - мощность, регистрируемая микроболометром. Методика использования тепловизора подобным образом в публикациях и руководствах найдено не было, поэтому данный вопрос будет исследован в настоящей работе.

Цель работы. Целью работы является физическое и математическое моделирование пространственного распределения ИК излучения сложного излучателя. В качестве такого излучателя был выбран малогабаритный авиационный двигатель (АД) ТС-21. Важным этапом данной работы является сравнение полученных экспериментальных значений с результатами расчёта разработанных программ [22]. При этом, в данной работе интересы смещены в пользу разработки методики экспериментальной работы, расчётно-теоретические методики и результаты приводятся кратко. В ходе проведения экспериментов ставилась цель получения данных об излучении двигательной установки с помощью спектрофотометра ИКС-29 и, дополнительно, тепловизора ИЛЫ Б60.

В ходе работ были решены задачи:

1. Создана и экспериментально проверена методика моделирования теплопереноса и теплообмена в случае обтекания излучателя горячим сжимаемым газом;

2. Сформированы исходные данные для расчёта переноса лучистой энергии согласно математической модели и условиям проведения эксперимента;

3. Создан пакет программ для расчёта пространственного распределения теплового излучения тел произвольной формы;

4. Создана методика физического моделирования излучателя сложной формы, получены экспериментальные значения интегральной силы излучения для проверки разработанных программ и моделей;

5. Проведён анализ созданного программного средства в контексте решения задач в области лучистого теплообмена и авиационного двигател естроения.

На защиту выносятся:

1. Общий алгоритм постановки численного эксперимента по моделированию пространственного распределения теплового излучения тел сложной формы;

2. Методика решения задачи расчёта пространственного распределения излучения тела сложной формы методом линейных уравнений;

3. Методика численного эксперимента по расчёту температурного состояния поверхностей сложного излучателя с применением методов вычислительной газовой динамики;

4. Методика проведения эксперимента с помощью тепловизора РЫЯ БбО;

5. Методика проведения эксперимента с помощью спектрофотометра ИКС-29;

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы подходы вычислительной гидрогазодинамики (СРБ, ВГД) и численные методы расчёта системы излучающе-отражающих поверхностей.

Методика моделирования была задумана и разработана как целостный процесс: исходные данные для расчёта излучения основываются на выходных данных теплового расчёта. В свою очередь, для осуществления теплового расчёта достаточно знать типичные граничные условия для среды, в которой осуществляется теплообмен. Методы ВГД являются наиболее общими и позволяют изучать теплообмен вблизи произвольных поверхностей без использования каких-либо критериальных зависимостей, имеющих ограниченную область применения. Однако сложность моделирования турбулентных течений и вытекающая сложность моделирования теплообмена, требуют проверки используемых методик, что и было проведено в настоящей работе.

Разработанная программа расчёта излучения имеет визуальный интерфейс, позволяющий исследователю гибко изменять параметры численного эксперимента. Программа использует для расчёта универсальный формат передачи геометрических данных STL, который может быть получен в любой CAD-системе (Computer Aided Design). В ходе расчётов, алгоритм адаптирует процесс решения под доступные ресурсы компьютера и осуществлят эффективный и быстрый расчёт. Для ускорения используются методы параллельных вычислений.

Основные экспериментальные исследования, изложенные в работе, проводились с использованием ИК-спектрометра ИКС-29 и тепловизора FLIR S60 для бесконтактного замера поля температур. Также рассмотрена методика измерения излучения с помощью тепловизора S60, но в силу указанных недостатков она не является основной. Используемая математическая модель тестировалась на результатах экспериментальных замеров, проводимых непосредственно с помощью измерительной системы стенда и тепловизора, основанной на оборудовании и программном обеспечении National Instruments (LabView).

Достоверность результатов. Достоверность результатов работы

достигается:

• использованием фундаментальных положений газовой динамики;

• использованием программных кодов, имеющих достаточную базу сравнения с экспериментальными данными, т.н. верификацией программного пакета;

• экспериментальной проверкой моделей на всех этапах расчёта;

• согласованием расчётных данных с результатами натурного эксперимента.

Научная новизна. В работе впервые проведено всеобъемлющее исследование излучателя сложной формы в стендовых условиях с точки зрения определения пространственного и спектрального распределения потоков излучения разными методами: от тепловизионного до спектрометрического. Используемые математические модели и методики постановки численного эксперимента подтверждались на каждом этапе разработки. Это позволяет говорить о реализации непрерывной методики моделирования. Проведены исследования, позволяющие обоснованно рассчитывать потоки излучения выходных устройств авиационных двигателей, а также позволяющие проводить прикладные разработки в сфере конструктивного совершенствования последних и приведения их к соответствию требованиям заказчика.

Практическая ценность. В ходе экспериментального исследования сформирован задел для последующего совершенствования расчётного комплекса. На основе экспериментальных данных получена модель оценки теплового состояния выходного устройства авиационного двигателя, которая позволяет также создавать новые расчётные модели сопел и выходных устройств, с достаточной степенью достоверности тестировать различные конструкции в рамках имеющегося стендового обору-

дования. Полученные результаты, благодаря специфике исследования и объёму извлечённых научных данных, создают задел для последующего применения расчётных методик к исследованию более крупных авиационных двигателей и минимизируют стоимость работ.

Апробация работы. Разработанная программа (более ранние версии по состоянию на 2013 г.) используется НПО "Сатурн"для проведения собственных расчётов ИК излучения выпускаемой продукции и проверки её на соответствие требованиям заказчика. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

8-я Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (ЫРШ'20Ю), Алушта, 2010.

XIV Международный Конгресс двигателестроения, п. Рыбачье, Крым,

2010 г.

Конкурс "Двигатели XXI века"корпоративного университета ОПК ОБОРОНПРОМ, 2010 г. Разработанные алгоритмы расчёта ИК-излучения применялись для расчёта проекта сопла перспективного двигателя.

9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2010», г.. Москва.

17-я Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2011.

XV Международный Конгресс двигателестроения, п. Рыбачье, Крым,

2011 г.

10-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2011», г. Москва.

V Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов, Уфа, УМПО 2011 г.

Конкурс "Вертолёты XXI века"корпоративного университета ОПК ОБОРОНПРОМ, 2011-2012 гг. Разработанные алгоритмы расчёта ИК-излучения применялись для расчёта проекта "Управление инфракрас-

ной сигнатурой Л А" в номинации "Новые авиационные материалы и технологии".

XVI Международный Конгресс двигателестроения, п. Рыбачье, Крым, 2012 г.

11-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2012», г.. Москва.

10-ый Форум российского вертолётного общества, г.Москва, 2012.

Конкурс "Вертолёты XXI века"корпоративного университета ОПК ОБОРОНПРОМ, 2012-2013 гг. Разработанные алгоритмы расчёта ИК-излучения применялись для расчёта экранно-выхлопного устройства двигателя вертолёта в номинации "Конструкторская разработка".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в том числе пять статей в журналах из утвержденного перечня ВАК России, три статьи, опубликованные в журнале из утверждённого перечня ВАК Украины и реферируемые в отечественной базе ВИНИТИ, выпущена две работы по конкурсному проекту суммарным объёмом более 90 страниц.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, трёх глав, заключения. Изложена на 138 страницах, содержит 74 рисунка, 16 таблиц и список использованных источников, включающий 53 наименования.

Во введении изложен обзор исследований по теме работы и производится анализ имеющихся открытых отечественных и иностранных публикаций. Описываются цели и задачи настоящего исследования.

В первой главе изложена методика численного эксперимента по моделированию теплообмена между стенкой модельного излучателя, газовым потоком, набегающим на стенку с одной стороны и газом в условиях естественной конвекции - с другой. Расчётное поле температур приводится совместно с результатами термографирования реальной конструкции,

производится их сравнение и анализ.

Вторая глава диссертации посвящена описанию разработанного алгоритма расчёта пространственных излучателей: изложены основные теоретические положения, проведена апробация алгоритма расчёта на элементарных и простых излучателях.

Третья глава посвящена физическому эксперименту. В качестве модели пространственного излучателя был выбран авиационный двигатель ТС-21. В экспериментальном исследовании применялись два подхода: тепловизионная съёмка, измерение спектрального состава излучения с помощью спектрофотометра ИКС-29 и специальной внешней оптической системы, состоящей из зеркал с внешним алюминиевым напылением. В главе описывается постановка физического эксперимента, методика обработки экспериментальных результатов и производится оценка погрешности методов. Глава заканчивается сравнительным анализом расчётных и экспериментальных результатов.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Евдокимов, Илья Евгеньевич

Заключение

В результате проведённых исследований были успешно разработаны и экспериментально проверены математические модели, позволяющие рассчитывать тепловое состояние излучателей сложной формы и моделировать распределение теплового излучения в пространстве. При решении задачи применялись программные комплексы вычислительной газовой динамики для численного моделирования теплообмена. А также разработанные программы для расчёта распределения теплового излучения, реализующие алгоритмы параллельных распределённых вычислений для ускорения расчётов сложных поверхностей, состоящих из десятков тысяч элементарных площадок.

При этом гарантия результатов моделирования распределения лучистых потоков обеспечивается проведёнными физическим моделированием излучателя, представлявшего собой малогабаритный авиационный двигатель. Полученные расчётно-экспериментальные данные могут быть использованы при создании более сложных математических моделей излучателей с учётом излучения и поглощения тепловой энергии в газах.

В ходе работы были поставлены и решены следующие научные задачи:

1 разработана методика численного моделирования теплообмена в турбулентном потоке при обтекании поверхности излучателя. Проведена экспериментальная проверка математической модели;

2 разработан алгоритм моделирования излучения поверхностей и систем поверхностей, заданных дискретно, обладающих различными теплофизическими свойствами;

3 осуществлена проверка алгоритма на имеющихся аналитических решениях для излучателей простейшей формы (сфера, цилиндр, диск). Проведено тестирование программы на имеющихся данных по модельным экспериментам с реальными излучателями;

4 проведён численный эксперимент по моделированию теплового излучения сложного излучателя в предположении диффузного характера излучённой и отражённой тепловой энергии;

5 проведён физический эксперимент на модельном двигателе ТС-21, потдвердивший работоспособность алгоритма и методики расчёта и правомерность принятных в математической модели допущений;

К основным выводам работы можно отнести следующие:

1 приближение Ламберта может быть успешно использовано для создания математических моделей излучения и отражения энергии от сложных излучателей;

2 использование поверхностей, разбитых на дискретные элементы, позволяет успешно моделировать излучение произвольных реальных тел, но требует применения технологий распределённых вычислений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Евдокимов, Илья Евгеньевич, 2013 год

Литература

1. Sven Perzon, Nicolas Douchin, Thierry Cathala, André Joly, Aircraft infrared signature, taken into account body, engine and plume contributions,ITBMS 2009.

2. G. Maksymonko and N. Le, "A Performance Comparison of Standoff Minefield Detection Algorithms Using Thermal IR Image Data," in Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets IV, A. C. Dubey, J. F. Harvey, and J. Broach, eds., Seattle: International Society for Optical Engineering, April 1999, pp. 852-863.

3. Mahulikar, S. P., Sonawane, H. R., and Rao, G. A., "Infrared Signature Studies of Aerospace Vehicles,"Progress in Aerospace Sciences, Vol. 43, 2007, pp. 218-245.

4. Оцисик M.H., Сложный теплообмен, - M.: Мир, 1976. стр. 195.

5. Modest M.F.; Radiative Heat Transfer; Academic Press (Elseiver Science), USA 2003.

6. Mahulikar,S.P., Kolhe,P.S., Rao,G.A., "Skin-Temperature Prediction of Aircraft Rear Fuselage with Multimode Thermal Model," Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 19, No. 1, 2005.

7. K.J.Yi, S.W.Baek, S.N.Lee, M.Y.Kim, W.C.Kim and G.Y.Go, "Prediction of the Rear Fuselage Temperature with Radiation Shield 2011 International Conference on Aerospace, Propulsion and Energy Sciences(ICAPES 2011), Venice, Italy, November 28-30, 2011

8. ANSYS CFX-Solver Theory Guide, release 12.0, April 2009. c. 274.

9. Andreini A., Cerutti M., Facchini В., Mangani L., Modelling of Turbulent Combustion and Radiative Heat Transfer in a Object-Oriented CFD Code

for Gas Turbine Application, In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air, Berlin, Germany, 2008, , GT 2008-51117;

10. Илларионов, В.Ф., Корнилов, A.B., Фомин, В.M., Широких, A.B., и др., Оптическая модель тела сложной формы. Оптический журнал, 1999, т. 66, №7, стр. 81-85.

11. Абдрашитов, К.Х., Расчёт теплового излучения выхлопного тракта ГТД на бесфорсажных режимах в ANSYS CFX // V Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов. Материалы конференции: Уфимск. моторостр, произв. объединении. - Уфа, УМ-ПО 2011., с. 129-130.

12. Мочалин, В.Д., Моделирование теплового изображения наземных объектов. Оптический журнал, 2008, т. 75, №1, стр. 28-31.

13. Корнилов, A.B., Оптическое моделирование излучающего тела сложной формы с двунаправленным характером отражения, "Труды ЦА-ГИ вып. 2680, 2009.

14. Витковский, В.В., Корнилов, A.B., Потапов, Ю.Ф., Широких, A.B., Экспериментальное определение двунаправленных отражательных характеристик материалов. Оптический журнал, 2003, т. 70, №6, стр. 27-32.

15. Потапов, Ю.Ф., Стасенко, A.JI., Экспериментальный комплекс для исследования пространственно-угловых и спектральных инфракрасных характеристик летательных аппаратов // Динамика и характеристика заметности лета-тельных аппаратов: сб. статей. - М. : Из-дат.отд.ЦАГИ.Вып. 2657: - 2002. - с. 108-117.

16. J. Dix, A.J. Saddington, К. Knowles and M.A. Richardson , "Infra-red

signature reduction study on a small-scale jet engine ", The Aeronautical J., February 2005 , p. 83.

17. Guarnieri, J. A., Thermal signature reduction through liquid nitrogen and water injection. Master's thesis, Texas A& M University, College Station, TX, December 2004.

18. Guarnieril, J.A., Cizmas, P.G., A Method for Reducing Jet Engine Thermal Signature, International Journal of Turbo and Jet Engines, Vol. 25, No. 1. (1 March 2008), pp. 1-12.

19. Léonard,О., Thomas, J.P., Borguet, S., "Ten Years of Experience With a Small Jet Engine as a Support for Education", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 131, No. 1, Jan. 2009.

20. Илларионов, В.Ф., Корнилов, А.В., Фомин, В.M., Широких, А.В., Особенности экспериментальных исследований инфракрасного излучения тел сложной формы тепловизионными методами // Динамика и характеристика заметности летательных аппаратов: сб. статей. - М. : Издат.отд.ЦАГИ.Вып. 2657: - 2002. - с. 66-73.

21. Fraedrich, D., Miller, С., Stark, Е., Heen, L.T., ShipIR Model Validation Using NATO SIMVEX Experiment Results, Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375-5320, NRL/FR/5750-04-10,080.

22. Николаенко B.C., Сорокин А.А., Филиппов Г.С., Ященко Б.Ю., Расчёт пространственного распределения энергии сложного излучателя; 9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2010», 16-18 ноября 2010 г., Москва. Тезисы докладов. - Спб.: Мастерская печати, 2010. С. 258.

23. Крылов Б.А., Юн А.А., Расчет и моделирование турбулентных течений с теплообменом, смешением,химическими реакциями и двухфаз-

ных течений в программном комплексе Fastest-3D: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2007. - 116 е.: ил.

24. Щербаков М.А., Определение коэффициента теплоотдачи при моделировании задач в Ansys CFX // Авиационно-космическая техника и технология . - Харьков: «ХАИ», 2011. - Вып. 7/2011. - с. 170-175.

25. Эпштейн М.И., Измерения оптического излучения в электронике. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 254 е.: ил.

26. Козелкин В.В., Усольцев И.Ф., Основы инфракрасной техники: Учебник для техникумов.-3-е изд.,перераб. и доп.-М.: Машиностроение, 1985. - 264 е.: ил.

27. Фриш С.Э. Курс общей физики / С.Э. Фриш, А.В. Тиморева. - М.: ГИТ-ТЛ, 1957. Т.З. - 608 е.: ил.

28. Савельев И.В., Курс физики: Учеб.: в 3-х т. Т.З: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.—304 с.

29. ГСССД1-87. Фундаментальные физические константы.

30. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача:учеб. для втузов .-3-е изд., перераб. и доп.-М.-.Энергия,1975. - 488 е.: ил.

31. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача:учеб. для втузов .-4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 е.: ил.

32. A. Le Goff. J. Latger, Ph. Kersaudy, Realistic multi spectral simulation including IR simulation, SPIE 1999.

33. J. Latger, J-F Talaron, a useful kernel to make realistic IR simulation, ITEC symposium, 1998.

34. Ильин А.А., Лебедев А.С., Синявский В.А., Игнатенко А.В. Моделирование отражательных свойств материалов плоских объектов по фотоизображениям // Proc. of Graphicon'2009, 2009. С. 198-202.

35. Bui-Tuong Phong. Illumination for Computer Generated Images. Communications of the ACM, 18(6):311-317, June 1975.

36. Xiao D. He, Kenneth E. Torrance, Francois X. Sillion, and Donald P. Greenberg. A Comprehensive Physical Model for Light Reflection. Computer Graphics, 25(4) Proceedings, Annual Conference Series, 1991, ACM SIGGRAPH, pp. 175-186.

37. M. Oren and S.K. Nayar. Generalization of Lambert's reflectance model. In SIGGRAPH 94 Conference Proceedings, pp. 239-246, Orlando, Florida, July 1994.

38. Burns M., Automated Fabrication, Prentice Hall, 1993.

39. Евдокимов, И.E., Яковлев, А.А., Николенко, B.C., Филиппов, Г.С., Ященко, Б.Ю.Исследование тепловой заметности малогабаритного авиационного двигателя. Стабильность индикатрисы излучения выходного устройства // V Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов. Материалы конференции: Уфимск. моторостр, произв. объединении. - Уфа, УМПО 2011. - 108 стр.

40. Криксунов, Л.З., Справочник по основам инфракрасной техники. -М.: Советское радио, 1978.

41. Software"ThermaCamTM Researches Pro 2.8": FLIR Systems AB, 2004.

42. ThermaCAM Researcher User's Manual, FLIR Systems: Billerica, Massachussetts, 2004.

43. The Ultimate Infrared Handbook for R& D Professionals: Published by FLIR, www.flir.com, 2009

44. B.M. Анисимов, И.Н. Данилова, B.C. Пронина, Г.Э. Солохина. Лабораторные работы по физике. Часть 1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006, стр. 18.

45. Анализ экспериментальных и расчётно-теоретических данных. Отчёт (Московский авиационный институт; Паневин И.Г., гос. регистр. № ХО 83796, инв. № Г 52450 - М.: 1984, 49 е., 19 ил.

46. Cagran С., Hanssen L., Noorma A., Mekhontsev S., Temperature-Resolved Infrared Spectral Emissivity of SiC and Pt-lORh for Temperatures up to 900 C, International Journal of Thermophysics, Springer Netherlands, vol. 28, pp. 581-597, 2007.

47. Блох А.Г., Теплообмен излучением: Справочник А.Г. Блох и др. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

48. Neuer, G. and Jaroma-Weiland, G., Spectral and Total Emissivity of High-Temperature Materials, International Journal of Thermophysics, Springer Netherlands, vol. 19, pp. 917-929, 1998.

49. ThermaCAM S65 Technical Specifications, 2005, FLIR Systems, Inc.

50. Лойцянский Л.Г., Механика жидкости и газа. — Л., 1950.

51. Прандтль Л., Гидроаэромеханика. - Ижевск: НИЦ: Регулярная и хаотическая динамика , 2000. -576с.

52. Dannecker D., Noll В., Hase М., Krebs W., Schildmacher K.-U, Koch R., Aigner M., Impact of Radiation on the Wall Heat Load at a Test Bench Gas Turbine Combustion Chamber: Measurements and CFD Simulation,

Proceedings of GT2007 ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea and Air, 2007.

53. Блох А.Г., Теплообмен излучением: Справочник. - М.: Энергоатом-издат, 1991.- 432 с.