用可变扩散湍流模型研究轴对称排气系统红外辐射特性

为研究可变扩散湍流模型在排气系统红外辐射特性计算中的适用性,计算了轴对称亚声速喷管在3 ～5μm波段的空腔-喷流组合红外辐射特性.喷管流场及温度场采用有限体积法求解N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型和可变扩散模型.红外特性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.计算结果与试验对比表明,与标准k-ε模型相比,可变扩散湍流模型能够有效改善亚声速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,说明可变扩散湍流模型适用于精确模拟轴对称排气系统的红外辐射特性.     

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.      

发动机排气系统红外辐射数值计算研究

发动机排气系统是飞机红外辐射的重要辐射源。通过将排气系统的流场计算模型、气体的红外辐射指数宽谱带模型(EWBM)和辐射传输方程(RTE)结合起来,发展了一种发动机排气系统红外辐射特性估算方法,并开发了相关程序。通过算例将计算结果与试验测量结果进行比较,验证了该方法在排气系统红外辐射特性数值计算与分析方面的可行性和有效性。     

湍流模型对发动机排气系统流场和红外辐射特征计算的影响

计算分析了采用k-ω SST(shear-stress transport)模型、RNG(renormalization group)k-ε模型配合标准壁面函数(RNG k-ε+标准壁面函数)、RNG k-ε模型配合增强型壁面函数法(RNG k-ε+增强壁面函数)3种湍流模拟方法,对典型涡扇发动机轴对称收敛喷管排气系统流场、温度场、组分质量浓度场及红外辐射特征计算结果的影响.研究表明:对于这3种方法,排气系统腔体内壁面压力分布基本一致;但在温度场、组分质量浓度分布以及红外辐射特征方面的差别较大.RNG k-ε+增强壁面函数计算得到的内涵壁面与燃气流的温度、CO₂与H₂O的质量浓度和红外辐射强度值最大,RNG k-ε+标准壁面函数的计算结果其次,而k-ω SST 模型的计算结果最小.通过与试验结果对比,发现k-ω SST模型对排气系统红外辐射特征的模拟更加合理一些.      

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。     

与飞机融合的单边膨胀喷管排气系统气动和红外辐射特征数值计算

单边膨胀喷管(Single Expansion Ramp Nozzle,SERN)是1种新型的排气喷管,具有可以有效抑制航空发动机排气系统的红外辐射和雷达反射截面积、后体阻力小、质量轻、增加飞机的敏捷性和可操控性等优点。运用计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法,采用标准k-ε湍流模型和标准壁面函数,研究了轴对称喷管、单边膨胀喷管和开缝冷却单边膨胀喷管的排气系统与机身融合后的红外辐射特性空间分布规律。结果表明:单边膨胀喷管大幅度降低了排气系统尾向红外辐射峰值,其降幅达到60%以上,说明了单边膨胀喷管与后机身融合、遮挡内部高温部件,从而降低了尾向红外辐射的卓越红外抑制效果。     

航空发动机排气系统红外辐射测量与数值计算比较研究

评估航空发动机红外隐身性能,需获取其排气系统的红外辐射强度。介绍了航空发动机排气系统红外辐射测量方法,通过试验验证得到了3~5mm的红外辐射特征。采用反向蒙特卡洛法对发动机排气系统的红外辐射特征进行数值计算,计算中将固体壁面的反射特性分别设为漫反射体和镜面反射体,并将计算值与试验值进行对比分析。结果表明:两者分布规律一致,但将壁面的反射特性作为镜面反射处理时,计算值与试验值的误差明显减小。     

发动机高速排气系统红外辐射特性的数值计算和分析

本文以排气系统三维流场数值计算为基础,采用了封闭腔理论算法及波带透过率计算模型,通过求解耗散-发射性介质中的辐射传输方程的方法,对发动机高速排气系统的热空腔辐射、喷气流辐射及热空腔-喷气流组合辐射进行了数值计算,并将计算结果与发动机实测结果进行了分析比较。研究结果表明,红外辐射的计算值与实测值相比,误差不大于30%,且其空间分布基本一致。所开发的计算方法与程序可用于排气系统红外辐射特性的数值计算与分析,基本满足工程设计的需要。     

涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统红外辐射特征的对比

用数值模拟的方法对比研究了涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件进行模拟,红外辐射特征采用根据反向蒙特卡洛法自主开发的软件进行计算,计算分析了两种排气系统在3~5μm波段红外辐射的空间分布以及喷管内不同固体部件在探测方向上的辐射贡献.在红外辐射特征计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射以及燃气组分二氧化碳、水和一氧化碳的吸收-发射等影响.结果表明:两种排气系统红外辐射的空间分布特性不同;混合排气喷管的积分辐射强度在方位角为0°~10°时大于分开排气喷管,在其他方位角范围内均小于分开排气喷管.      

加装红外抑制器的直升机红外辐射的计算及测量

计算了光谱在3～5 μm及8～12 μm范围内,加装与机身结构一体化红外抑制器的某型直升机排气系统的红外辐射特性.计算中考虑了排气系统部分蒙皮的红外辐射、双喷管发动机喷气流的红外辐射、背景辐射及大气的吸收衰减对直升机排气系统红外辐射信号的影响.实验发现,一架加装与机身结构一体化红外抑制器的直升机排气系统红外辐射特性的计算结果,与实测结果基本一致.     

UDMH/NTO火箭发动机尾焰流场特性数值仿真

采用AUSM(advection upstream splitting method)空间离散格式,探究了常用的3种k-ε湍流模型和2阶、3阶迎风格式对激波捕捉效果的影响。采用标准k-ε双方程模型和2阶迎风格式对不同高度和不同来流马赫数下的偏二甲肼/四氧化二氮(UDMH/NTO)火箭发动机尾焰流场进行喷管-尾焰流场一体化仿真。复燃反应采用12组分18步化学反应模型,喷管入口参数由热力计算给出。结果表明:随着来流马赫数的增加,波节数逐渐降低;随着飞行高度的上升,尾焰影响区域逐渐扩大;复燃反应造成混合区中的O2、N2质量分数大幅下降,而混合区中O、OH、NO质量分数则有所上升。      

用双流体模型模拟超声速气固两相流动

采用了双流体模型对JPL(Jet Propulsion Laboratory)喷管中气固两相流动以及超声速射流两相流动进行了数值模拟,并研究了可压缩两相流动中气相与颗粒的相互作用规律.自主开发的一般曲线坐标系下二维轴对称可压缩双流体程序Solve2D,对气相求解Navier-Stokes(N-S)方程组,采用k-ε湍流模型,颗粒相求解Euler方程组.对JPL喷管内的两相流场和湍流两相射流流场进行了数值模拟,研究了不同颗粒质量百分数以及不同颗粒直径时的气固两相流场的流动规律.      

轴对称喷管内外流场与结构温度场耦合计算

利用有限体积的对流项二次迎风插值格式和重整化群(RNG)k-ε湍流模型,二层增强型壁面函数,同时利用球形谐波法考虑热辐射的影响,以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程。采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交换数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静止的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟,计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好。在此基础上,进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。     

与飞机融合的单边膨胀喷管排气系统

单边膨胀喷管（Single Expansion Ramp Nozzle,SERN）是1种新型的排气喷管,具有可以有效抑制航空发动机排气系统的红外辐射和雷达反射截面积、后体阻力小、质量轻、增加飞机的敏捷性和可操控性等优点。运用计算流体力学/红外辐射（CFD/IR）数值模拟的方法,采用标准k-ε湍流模型和标准壁面函数,研究了轴对称喷管、单边膨胀喷管和开缝冷却单边膨胀喷管的排气系统与机身融合后的红外辐射特性空间分布规律。结果表明：单边膨胀喷管大幅度降低了排气系统尾向红外辐射峰值,其降幅达到60%以上,说明了单边膨胀喷管与后机身融合、遮挡内部高温部件,从而降低了尾向红外辐射的卓越红外抑制效果。     

用Tam-Thies湍流模型研究带小突片的喷管流场特性

 首先,采用标准k-ε模型、可实现（realizable）k-ε模型、重正化群（RNG）k-ε模型和Tam-Thies模型4种湍流模型模拟了不同工况下的两种轴对称喷管和带有4片小突片的喷管流场,并将计算结果与实验值进行对比。结果发现：Tam-Thies模型所得出的模拟结果与实验值符合最好。然后,用Tam-Thies模型模拟了小突片后倾角不同的喷管的流场,和没有小突片的喷管的计算结果对比,发现：带有小突片的喷管的尾喷流的核心区长度变短,喷管出口下游气体的混合加剧;而当小突片后倾角增大时,核心区长度先减小后增大;在每个小突片下游产生一对方向相反、强度相同的流向涡,当小突片后倾角增大时,流向涡强度呈现出先增大后减小的趋势,而喷管的引射系数增益和推力损失系数都逐渐减小。     

封闭转静盘腔中紊流的数值模拟

对一个旋转盘腔的流场进行了数值计算研究。该盘腔由一个旋转盘,一个静止盘及静止的外围屏组成。在盘腔的核心区采用标准k-ε模型,在近壁区分别采用了两种低雷诺数紊流模型,即(1)单方程模型和(2)Launder-Sharma低雷诺数k-ε模型,并且在第二个模型中考虑了固体旋转引起的耗散率降低的修正。      

一种双S弯二元喷管的红外辐射特性数值研究

为了降低轴对称排气系统的红外辐射,设计了一种非常规双S弯二元喷管.在CFD计算得到排气系统温度、压力和组分质量分数的基础上,采用反向蒙特卡洛法计算了基准轴对称喷管和双S弯二元喷管的红外辐射特征,并与二元喷管的结果进行了对比.结果表明:双S弯二元喷管能够对排气系统内部的高温部件进行有效遮挡,其强三维流动效应加强了内外涵冷热气流的掺混,在二元喷管的基础上进一步降低了排气系统的红外辐射;随着偏距 S 的增大,红外抑制效果增加,与轴对称喷管相比在推力损失不大于3%的前提下能够平均降低70%以上的红外辐射.      

平行平板内连续布置肋块流场与传热的数值模拟

为了研究平行平板内连续布置8个肋块的流场结构和传热现象, 利用计算流体力学软件FLU-ENT6.2内置的标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型对此进行了数值模拟并对结果作了比较.流场结果显示在相同来流条件下, 由Realizablek-ε模型预测的肋块间逆时针方向回流区最大, 标准k-ε模型最小.数值结果表明从第2个肋块开始加热段表面压力系数Cp和努塞尔数Nu开始呈周期性变化.同时将第7个肋表面的努塞尔数数值解与实验值进行了比较, 结果为三种湍流模型都能准确模拟出努塞尔数的变化趋势.计算结果可为工程设计和使用提供参考.      

一个新的可压缩性修正的k-ε模型

考虑结构可压缩性修正的影响,发展了一个同时考虑结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正的k-ε湍流模型,新模型包括Chang可实现性、Heinz湍流动能产生项以及Sarkar可压缩性三部分修正.新模型扩宽了以往发展的可压缩性修正模型的适用范围,适用于高超声速(M>5)复杂湍流流动中.通过对多个复杂超声速横侧射流工况的计算,验证了新模型的预测效果.与实验结果相比表明,几个工况下新模型的预测精度都显著高于标准k-ε模型.流体分离强度越大,新模型的修正效果越显著.与标准k-ε模型相比,新模型计算结果与实验更加接近.