直升机排气系统用波瓣喷管引射-混合式红外抑制器研究

 在针对直升机排气系统用波瓣喷管引射-混合式红外抑制器开展的一系列数值计算和模型实验研究基础上，本文对其内流气动特性和红外辐射特性进行较为系统的综合总结。揭示并分析了这种形式的红外抑制器内部混合流动特征，引射混合和隔热遮挡的红外抑制作用效果，以及红外抑制器缩比模型红外辐射模化关系；同时也指出了需进一步研究的一些问题。     

模化比对直升机用红外抑制器红外辐射特性的影响

对波瓣喷管一弯曲混合管构成的直升机用红外抑制器壁面和尾焰的红外辐射特性进行了一系列的数值研究,旨在将三维流场数值计算、壁温计算与红外辐射计算结合起来综合分析抑制器红外辐射特性,与相关实验数据的对比验证表明计算结果与实验结果仅相差15%左右,且红外辐射强度空问分布规律一致;通过对不同缩比模型的数值计算,揭示了模化比对壁面及尾焰的红外辐射特性的影响规律:(1)几何相似的红外抑制器在主流入口速度、温度相同时,壁面红外辐射强度与几何模化比的2次方成正比;(2)尾焰红外辐射强度与几何模化比的2.32次方成正比.      

波瓣主喷管排气引射系统的试验研究

对比试验研究了4种不同的圆波瓣主喷管和2种二元波瓣主喷管与3种混合管的12种排气引射系统的组合方案的气动和红外辐射性能。结果表明:波瓣主喷管能改善引射系统的性能, 同时波瓣主喷管排气引射系统能够有效地抑制排气系统的红外辐射。圆波瓣与圆混合管、二元波瓣与二元混合管的组合要比它们的交叉组合的性能优越。内外波瓣间距相同的二元波瓣主喷管与相应的二元混合管的组合方案具有最好的综合气动性能和红外辐射的抑制性能。      

排气系统与尾机身一体化红外抑制器实验分析

利用地面模拟实验件对排气系统与尾机身一体化红外抑制器模型进行了实验研究, 旨在分析引射混合与旋翼下洗对降低排气温度和目标的红外辐射特征的效果.结果表明, 通过波瓣喷管引射周围空气与主流燃气掺混冷却, 可以使高温燃气温度降低至少50%;利用旋翼下洗气流吹散热排气, 冷却尾机身模型壁面, 可以使模型壁面及尾焰在3-5μm和8-14μm的红外辐射强度分别降低39%和33%.另外, 简单的增大波瓣喷管的尺寸并不能够有效提高引射流量, 反而会使引射系数有所降低.      

直升机发动机红外抑制器弯曲混合管引射掺混效果试验研究

本文对五种弯曲角度和四种截面比的弯曲混合管与十二波瓣喷管匹配,进行了试验研究,获得了弯曲角度,截面比与引射能力和掺混效果之间的关系,本文的研究结果对直升机发动机红外抑制器设计和参数优化,具有指导性意义。     

直升机红外隐身技术研究

本文主要分析讨论了直升机红外隐身技术措施和一体化红外抑制器方案,通过对一体化红外抑制器主喷管和混合管缩比模型试验件进行热态试验,测量了在不同下洗气流速度下出口截面的排气温度场和红外辐射特性,得到了一体化红外抑制器的性能情况,试验结果表明,所提出的一体化红外抑制器具有很好的红外抑制效果。     

交变波瓣喷管高效掺混机理

结合现有交变波瓣的特点对基准波瓣喷管进行处理,设计了一种新型波瓣喷管——剑形深波谷交变波瓣喷管。采用数值方法对基准波瓣喷管、平端面交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管、剑形深波谷交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管扇形处理的射流掺混进行模拟,研究了交变波瓣喷管高效掺混的机理。结果表明,交变波瓣喷管除了深、浅波谷之间的尾流区和较小的核心区代替了基准波瓣喷管较大的核心区以外,在侧壁尾流区产生更饱满的流向涡,以及深波谷端次流前锋的刺入或在深波谷端产生流向涡,都对提高掺混效率起重要作用。交变波瓣喷管射流掺混中横向流动程度越大造成的流动损失越大,其关系为初始流向涡量每增加0.1,总压恢复系数将减小0.0001。     

狭长出口弯曲混合管一体化红外抑制器红外特性分析

将发动机热端部件-弯曲混合管埋入尾机身模型内部并引入旋翼下洗气流与热排气强迫混合,这是一种新型的一体化红外抑制器结构。通过数值模拟和实验分析比较了波瓣喷管与旋翼下洗的混合流场,并且获得了不同旋翼下洗气流作用下模型壁面的红外辐射光谱。结果表明:在弯曲混合管出口存在低压区,使得周围冷却气流在压差的驱动下被不断吸入混合;模型的红外辐射主要以8～14μm波段的红外辐射为主,随着旋翼下洗气流速度的增加,模型的红外辐射强度逐渐降低。     

大宽高比弯曲混合喷管排气红外和射流噪声抑制

针对大宽高比弯曲混合喷管排气红外和射流噪声抑制的需求，在狭长矩形喷口的基础上对混合喷管喷口结构进行重新设计，包括不同尺寸参数的波瓣喷口和不同侵入程度的冠状锯齿喷口。针对上述喷管，采用数值模拟的方法，获得大宽高比弯曲混合喷管的射流流场，并通过正反射线追踪法和Fluent软件FW-H声学模块分别计算了混合喷管的排气红外辐射强度和射流噪声总声压级。对研究结果进行分析，揭示了狭长矩形喷口、波瓣喷口和冠状锯齿喷口对混合喷管的引射性能、压力损失以及排气红外和噪声特性的影响机制，阐释了喷口激励的流向涡在射流与环境气流掺混过程中的强化主导作用及其抑制排气红外辐射和噪声的兼容性。     

不同锯齿对圆转矩形喷管红外辐射特征影响数值模拟

在考虑中心锥、波瓣混合器、火焰稳定器以及加力燃烧室筒体影响的条件下,将轴对称收扩喷管改型设计为圆转矩形基准喷管,进一步在喷管出口进行修型设计.并对不同锯齿喷管流动、换热与红外辐射特征进行了数值分析.得到如下结论:考虑高温部件后,喷管红外辐射强度的方向性特征更加明显;相比圆转矩形基准喷管,采用多个小尺寸锯齿时,射流高温区长度有一定缩短,采用单个大尺寸锯齿时,高温区长度进一步缩短,其正后方红外辐射强度降低;将轴对称收扩喷管改为圆转矩形喷管并加装锯齿后,强化尾喷流与外流掺混,降低其红外辐射强度的同时带来了一定的推力损失.     

斜切对抑制引射式波瓣喷管内部流动分离的效果研究

 为了了解大扩张波瓣流动分离及其控制方法,对引射式波瓣混合器的扩张角与波瓣内部流动分离的关系进行了研究,得到了引射式波瓣混合器出现分离的临界瓣角,进而提出了对存在流动分离的波瓣喷管进行斜切处理的方法,有效地抑制了引射式大扩张角波瓣喷管主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,同时还对斜切波瓣与存在流动分离的基准波瓣喷管的引射系数和波瓣出口处的总压损失进行了研究。总的来看,对于存在主流侧流动分离的引射式大瓣角波瓣喷管而言,斜切处理一种是提高其引射效果、降低流动损失的合理方案。     

面积比、波瓣张角对多级波瓣喷管性能的影响研究

在11 km高空环境下,对喷管出口马赫数为0.75的2级波瓣喷管内外流场进行数值模拟。通过改变第1级波瓣喷管的引射面积比及第2级波瓣的下张角,分析了2级波瓣喷管的性能变化。结果表明,第1级波瓣的引射效率在第1级引射面积比为1.50时达到峰值;在总引射面积比为3.50时,上张角为15°、下张角为0°的2级波瓣喷管性能较好,其引射系数比单级波瓣喷管的高30%,推力大4%。     

引射/强迫式波瓣混合器开设通气狭缝的流动分离控制

为了抑制大扩张角波瓣混合器主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,在基准波瓣混合器上开设了通气狭缝,通过数值模拟的方法研究了上述处理对次流分别为受迫流动和引射流动两种情况下的波瓣混合器抑制主流流动分离的效果.研究结果表明:①波瓣扩张角小于35°时,波瓣混合器内没有任何的流动分离的现象发生,当波瓣扩张角增大到35°时,波瓣内开始出现流动分离,继续增大波瓣扩张角,则波瓣混合器内流动分离加大;②对于次流为受迫流动的大波瓣扩张角波瓣混合器而言,开设了通气狭缝后,流动分离得到了有效的抑制;③对于次流为引射流动的波瓣混合器而言,对存在流动分离的大波瓣扩张角波瓣混合器开设了通气狭缝后,流动分离并未得到了有效的抑制,通气狭缝的存在提前诱发主流侧流体的分离.      

分开式与混合式排气喷管气动特性对比研究

通过内外流场的3维数值模拟,考察多种结构形式的V形齿和波瓣混合器分别对分开式和混合式排气喷管气动特性的影响,此外,比较了涵道比为7一级的分开式和混合式2种喷管在起飞和巡航状态下的推力性能,以期为大涵道比涡扇发动机排气系统的方案选择和气动设计提供参考和指导.计算结果表明：内外交错型V形尾缘十分显著地加强了分开排气喷管尾喷流的掺混,并且造成的推力损失不大;内窄外宽型尾缘的波瓣混合器有利于混合排气喷管气动性能的提高;在7一级的涵道比下,混合排气喷管的推力性能要优于分开排气喷管的.     

加遮挡板后二元喷管的红外辐射特性数值模拟

在宽高比为6.33的圆转矩形二元喷管喷口处安装不同结构的下遮挡板。通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合数值模拟的方法,获得加遮挡结构后二元喷管的红外辐射场分布特征,并对不同遮挡结构的红外辐射抑制效果进行比较。结果表明:遮挡板结构改变了二元喷管原有的对称结构的辐射场分布。它对喷管的尾焰以及内外壁面产生的红外辐射在-90°~0°方向上有着较好的抑制作用。尾焰红外辐射强度最多降低51%,喷管内壁面红外辐射被完全遮挡。而双层遮挡结构可以削弱二元喷管-90°~0°方向43%的总体红外辐射,与此同时却增强了0°~90°方向40%的红外辐射。     

直升机多路分流排气引射红外抑制系统气动特性计算

针对直升机用单级引射、三路分流排气红外抑制系统进行了内部流场的三维数值模拟,在给定的模拟条件下,得到如下结论:①该红外抑制系统引射能力较强,三个支路引射混合管的引射流量比存在较大差异,总压恢复系数相差甚微;②分流喷管各支路通道喷口主流出口速度和压力基本一致,对各支路引射混合管引射能力影响最大的因素是次流流道的通畅程度;③三个支路引射混合管内主流核心速度和混合管出口温度衰减程度与其引射次流流量大小相关.      

波瓣喷管/气膜冷却混合管气动和红外辐射特性实验

 针对某型后向进气、前向排气的涡轴发动机用红外抑制器,提出了波瓣喷管和气膜冷却混合管组合的红外抑制概念,旨在进一步降低混合管壁面红外辐射强度。用实验的方法,对气膜混合管内流特性、红外辐射特性进行了研究。研究结果表明：混合管壁面的3个引射入口的静压都低于外界大气压力,从而自然形成引射驱动动力;引射流量比与主、次流温度比有关,通过实验得到的温度修正指数可以将冷态实验结果外推到热态情况;与一般混合管相比,整体引射流量提高30％,在3~5 μm波段内,红外辐射强度降低了12%~27%,在8~14 μm波段内,红外辐射强度降低了12%~28%,其总压损失仅仅提高了1%。