飞行高度对固体火箭两相喷焰流动与辐射的影响

固体火箭发动机喷焰的辐射特性对火箭目标探测与跟踪识别具有重要工程意义。本文针对某模型固体火箭发动机,基于欧拉离散相模型描述气-固两相相互作用,采用详细化学反应机理计算喷焰复燃效应,基于逐线积分法+米散射理论求解气体及粒子辐射物性参数,通过视在光线法计算辐射传输,并利用测量数据验证了本文模型的适用性,仿真分析了不同飞行高度对气固两相喷焰流动及辐射特性的影响。研究结果表明：随着飞行高度增加,喷焰中燃气与固体颗粒间相互作用减弱,且粒径越大的粒子与燃气间差异越大;两相喷焰受不同飞行高度上掺混与复燃效应程度差异的影响,致其温度分布和不同组分浓度分布存在显著差异;各高度下两相喷焰光谱辐射呈现气体选择性发射谱结构,其中高温Al2O3对辐射贡献主要集中在短波,且高度越高,影响越小;不同谱带间辐射特性受不同组分发射带影响而存在差异,且2.7μm和4.3μm两个主要发射带的辐射峰值出现在不同飞行高度。     

液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响

为深入研究液体火箭发动机尾焰复燃对红外辐射特性的影响,建立了一个适用于液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的计算模型。利用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中复燃反应采用有限速率化学反应模型;采用HITEMP数据库利用逐线积分法(LBL)计算尾焰气体的辐射气体参量;采用反向蒙特卡洛法(BMC)求解辐射传输方程,得到尾焰复燃流场的红外辐射特性。结果表明,复燃反应可大幅度改变尾焰流场特性,进而改变尾焰红外辐射特性。相比于冻结流,反应流流场温度和主要辐射气体含量最大增幅分别可达15.4%及47.5%,主要辐射波段内辐射强度最大增幅可达31.5%。随发动机飞行高度增加,复燃反应所引起的红外辐射强度增量随之降低。     

数值模拟喷焰2.7微米红外辐射特性

以固体火箭发动机尾喷焰的红外探测为主要应用背景,利用反向蒙特卡罗法和有限体积法计算了火箭尾喷焰红外辐射特性,获得了尾喷焰在探测波长为2.7μm下的红外辐射的空间、光谱分布特性,两种方法的计算结果也非常接近,具有重要的理论意义和实际应用背景。     

某型涡扇排气系统缩比模型红外辐射特性实验

针对某型涡扇排气系统构建1/5缩比模型,采用实验的方法验证了波瓣混合器能够降低涡扇发动机排气系统红外辐射.结果表明:相对于环形混合器,波瓣混合器使得排气系统出口尾焰温度降低11%左右,3～5μm波段红外辐射在各探测角度内降低7.3%～22.6%;涵道比从0.233增加到0.685,排气系统出口尾焰核心温度降低21%以上,红外辐射强度降低30%～59%;尾焰和排气系统内部壁面温度的降低使得排气系统红外辐射强度大幅度降低.      

航空发动机排气系统红外辐射特征数值计算研究

基于N—S方程,建立了某型发动机排气系统的数值计算模型;利用辐射传输方程（RTE）积分法所编制的红外辐射特征计算程序,计算了该发动机在地面工作状态下的红外辐射特征分布;在加力状态下,考虑了soot粒子的光谱吸收与发射。分析了水蒸气、二氧化碳、一氧化氮和一氧化碳气体介质的红外光谱吸收与发射,并考虑了红外辐射在大气中的传输,最后给出了在3.0～5．0μm波段内排气系统的红外辐射强度分布。     

火箭发动机出口参数对喷焰流动及辐射的影响

基于详细化学反应机理+逐线积分法+视在光线法开展了火箭发动机喷焰流动与辐射特性研究,分析了不同化学反应机理对流动与辐射的影响,利用地面试验数据校验了模型的正确性,并详细分析了火箭发动机出口参数变化对喷焰流动及辐射的影响规律。研究结果表明:喷管出口温度增加,对流场结构影响较小,但会显著提升喷焰的复燃效应;喷管出口压强增加,会对流场马赫波系结构产生影响,但对喷焰二次燃烧影响较小;喷焰红外辐射强度会随着出口温度或出口压强的升高而增加,且红外辐射强度与出口推力正相关。      

基于多线组宽带模型与积分微分混合算法的喷管远程红外成像计算

针对现有宽带k分布模型不适合高温喷流3~5μm波段发射辐射在大气中远距离传输衰减特性计算的问题,将之前用于全光谱模型的多线组技术应用于宽带模型,并对光谱吸收系数的分组优化状态点进行了针对性调整。无限宽度多层气体辐射特性一维/准一维算例的计算结果表明,多线组技术可大幅提高原始全光谱与宽带模型对强非均匀气体辐射特性的计算精度,同时保持对灰体固壁辐射的良好兼容性。以此为基础,对带冷却装置Ⅴ形尾缘收缩喷管的耦合换热特性和远程红外特性进行了数值研究,结果表明:气体辐射对喷管固壁温度分布的影响不能忽略;多线组宽带模型对跨声速排气系统70km红外成像的预测误差在7%左右。      

用温度修正的k-ε模型研究排气系统红外辐射特性

为研究温度修正的k-ε湍流模型对排气系统红外辐射特性计算精度的改善程度,计算了某轴对称收敛喷管在3~5μm波段的空腔-喷流组合红外辐射特性,并与试验结果对比.喷管流场及温度场采用有限体积法(FVM)求解Navier-Stokes(N-S)方程得到,湍流模型分别采用标准k-ε模型和温度修正的k-ε模型.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程,并考虑大气衰减作用.计算结果表明:温度修正的k-ε模型可有效预测排气系统热喷流的核心区长度,从而获得与试验结果一致的红外辐射强度.与标准k-ε模型相比,采用温度修正的k-ε模型计算得到的红外辐射强度的最大相对误差由64%降至了4.3%,说明温度修正的k-ε模型适用于精确模拟排气系统的红外辐射特性.      

涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性数值研究

红外隐身技术对提高未来战机战场生存力具有重要意义,发动机排气系统是飞机后半球的主要红外辐射源。为了研究涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性,结合引射喷管的CFD计算,采用离散传递法计算红外辐射强度,研究了普通引射喷管以及带5°下倾角的引射喷管后半球3～5μm以及8～14μm波段的红外辐射强度空间分布规律,并与相似尺寸的涡扇/涡喷发动机收缩喷管进行比较。结果表明：在探测角度较大时,涡扇发动机引射喷管的红外辐射强度较收缩喷管小20%左右;引射喷管结构上的非对称性导致红外辐射强度角向分布也呈现非对称性特征;8～14μm波段与3～5μm波段的红外辐射空间分布规律基本相同,但辐射能量小40%左右。     

直升机发动机舱通风、遮挡和隔热对红外辐射特性的影响

为了降低直升机发动机舱蒙皮的温度,减弱直升机红外辐射能量,采用数值仿真的方法研究其处于悬停状态、考虑了旋翼下洗作用的发动机舱蒙皮温度场和直升机红外辐射特性.针对基准发动机舱结构提出了在舱内加设辐射遮挡套、增开通风百叶窗、排气管尾缘修型和蒙皮内侧敷设隔热层等改进方案,研究了上述改进方案对直升机发动机舱蒙皮温度场和红外辐射特性的影响,得到了如下结论:①在发动机舱内加设辐射遮挡套后,整机侧向探测方位角内3~5μm红外辐射强度出现了约25%的增幅,8~14μm波段红外辐射与原始结构相当.②在发动机舱顶部增开通风百叶窗,直升机3~5μm红外辐射低于原始结构约12%,8~14μm波段红外辐射与原始结构相当.③在发动机舱顶部增开通风百叶窗的基础上,对排气管尾缘采取延伸遮挡以及在发动机舱蒙皮内侧敷设隔热层,整机3~5μm波段红外辐射的最大值下降约70%,8~14μm波段红外辐射的最大值下降约10%.      

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

Investigation of the infrared characteristics of the rocket nozzle

Investigation of the infrared characteristics of a rocket nozzle is very important for the study of infrared initiating technology. The Narrow-Band Zone model is developed for that purpose. The spectral transmission and absorption factors are introduced, and the equations between radiative heat flux and the temperature of waill surfaces and gas are developed. The radiative heat transfer in one axisymmetric cylindrical enclosure filled with homogeneous radiative participating medium is computed with the Narrow-Band Zone model and compared with those in the reference documents. The comparison shows good agreement. The radiative heat transfer to the nozzle of one rocket engine is also calculated with the Narrow-Band Zone model, and the outgoing radiative energy flux and energy rate integrated in a mid-wave infrared band 2-6 pm, a long-wave infrared band 8-14 pm and the full wave band are analyzed. The following conclusions can be derived: the spectral radiation from the inlet and outlet of the nozzle show apparent spectral discontinuity, which appears greater in the 2.7-2.95 pm than in the neighboring wave band. The spectral outgoing radiative energy flux of nozzle wail is similar to that of gray body, which decreases with wavelength in 2-14 pm. The outgoing radiative energy flux on the nozzle wall is greater in the cylindrical and contracting section of nozzle, but smaller in the divergent section, which is determined by temperature. The nozzle of the rocket engine radiates most energy in the mid-wave surfaces by absorption. The most important feature of gas radiation is the strong selection of the waveband, so the detailed study of the infrared characteristics of nozzle of the rocket engine should be carried out on narrow-band computation.     

红外导弹用于单机多目标攻击的可行性研究

通过分析进行多目标攻击对导弹"同时"发射的要求,考虑多枚红外导弹连续发射的影响因素,建立了红外寻的制导空-空导弹红外辐射模型,并以此计算了导弹发动机喷管的红外辐射、尾喷焰辐射、蒙皮辐射和反射的环境辐射,将结果与目标飞机红外辐射进行对比,研究使用红外导弹进行多目标攻击的可行性问题,并给出了分析结果。     

Numerical study on similarity of plume infrared radiation between reduced-scale solid rocket motors

This study seeks to determine the similarities in plume radiation between reduced and full-scale solid rocket models in ground test conditions through investigation of flow and radiation for a series of scale ratios ranging from 0.1 to 1. The radiative transfer equation(RTE) considering gas and particle radiation in a non-uniform plume has been adopted and solved by the finite volume method(FVM) to compute the three dimensional, spectral and directional radiation of a plume in the infrared waveband 2–6 μm. Conditions at wavelengths 2.7 μm and 4.3 μm are discussed in detail, and ratios of plume radiation for reduced-scale through full-scale models are examined. This work shows that, with increasing scale ratio of a computed rocket motor, area of the hightemperature core increases as a 2 power function of the scale ratio, and the radiation intensity of the plume increases with 2–2.5 power of the scale ratio. The infrared radiation of plume gases shows a strong spectral dependency, while that of Al_2O_3 particles shows spectral continuity of gray media.Spectral radiation intensity of a computed solid rocket plume's high temperature core increases significantly in peak radiation spectra of plume gases CO and CO_2. Al_2O_3 particles are the major radiation component in a rocket plume. There is good similarity between contours of plume spectral radiance from different scale models of computed rockets, and there are two peak spectra of radiation intensity at wavebands 2.7–3.0 μm and 4.2–4.6 μm. Directed radiation intensity of the entire plume volume will rise with increasing elevation angle.     

改进粒子群优化算法在亚轨道飞行器固液混合发动机设计中的应用

针对粒子群优化算法在求解多维复杂优化问题时容易陷入局部最优的缺点,提出了动态目标粒子群优化算法,通过分析寻优过程中粒子与个体最优位置和全局最优位置之间存在的位置关系,建立了新的速度更新公式.最后,应用该算法对某型号亚轨道飞行器固液混合发动机进行了优化设计.仿真结果表明,改进算法搜索能力强、收敛速度快,能有效解决此类问题,可为亚轨道飞行器的发动机优化设计提供理论参考.      

不同药型固液火箭发动机性能特点

根据平行层燃烧理论,推导了不同药型燃烧面积和燃烧边界长度随燃去肉厚变化的数学规律;在此基础上,建立了固液火箭发动机系统设计模型,将设计过程转化为数学模型;之后采用遗传算法对不同药型固液火箭发动机进行了优化设计.通过对优化结果的比较和分析,开展了不同药型应用于固液火箭发动机的性能特点及其机理的研究,指出了固液火箭发动机不同于固体火箭发动机的内弹道特性.      

飞行过载对燃烧室化学反应流场影响

为了研究飞行过载对固体火箭发动机燃烧室化学反应流场影响,以Liang模型模化铝滴燃烧,以有限化学反应速率模型模化湍流燃烧,对过载条件下发动机内流场进行了数值分析,数值结果与试验结果取得了趋势上的一致。研究表明,文中采用的数值计算方法可有效重现发动机热结构故障点;飞行过载改变了流场温度、粒子浓度、化学反应速率等参数分布;过载条件下燃烧室绝热结构表面铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致其异常烧蚀的原因之一,铝滴局部积聚燃烧会导致温度场畸变;热结构设计必须与流动结构匹配。     

基于BRDF的排气系统红外辐射特征计算研究

为了提高涡扇发动机排气系统红外辐射强度的计算精度,研究了壁面反射特性对计算结果的影响。红外辐射特征的计算采用反向蒙特卡罗(RMC)法,壁面反射采用双向反射分布函数(BRDF)和漫反射两种模型,并将计算得到的红外辐射强度与模型试验测试结果进行了对比。通过研究BRDF模型参数的变化对计算结果的影响确定了所采用模型中参数的取值。结果表明:壁面反射采用BRDF模型是提高红外辐射计算精度的有效途径。对于本文的试验模型,采用BRDF模型后,明显减小了以低发射高反射部件辐射为主的方向上红外辐射强度的计算误差。     

基于遗传算法的液体火箭发动机参数优化

建立了液体火箭发动机系统设计的仿真模型和多目标优化模型,采用组合优化策略和遗传算法,针对全流量补燃循环发动机,进行了不同设计变量和目标函数下发动机性能参数的优化,求得全局最优解.计算结果表明,遗传算法是解决该类问题的有效方法,可为其它类似发动机的优化提供一定的指导作用.