旋翼下洗和排气方向对直升机红外特征的影响

采用数值模拟方法,对旋翼下洗作用下的热喷流流动特征进行了研究,分析了旋翼下洗速度和排气喷口方向等因素对直升机红外辐射特征的影响.结果表明:热喷流在不同的排气方向下受到旋翼下洗的影响存在较大的差异,当喷口向上排气时,热喷流在旋翼下洗作用下的偏转能够形成对后机身表面的撞击,致使后机身温度升高;喷口向上排气旋翼下洗速度为10m/s时的固体红外辐射强于无旋翼下洗情形,对于喷口斜向上45°排气和侧向排气,随着旋翼下洗速度的增加,红外辐射强度均呈现逐渐降低的趋势;喷口排气方向对直升机红外辐射强度空间分布的影响十分显著,喷口斜向上排气时在顶向和侧向的红外辐射强度基本相当,而喷口向上或侧向排气,在某些探测方位存在局部很高的红外辐射强度.      

直升机旋翼下洗气流对排气喷流的影响

采用数值模拟方法,对旋翼下洗气流作用下的排气喷流流动特征进行了研究,分析了旋翼下洗气流速度和排气喷口方向对排气喷流流动以及排气系统引射能力的影响.研究结果表明:排气喷流受到旋翼下洗气流的作用而发生明显的向后机身下方以及旋翼转动方向的偏转,其偏转程度随旋翼下洗气流速度的增大而加剧;当排气喷口向上排气时,排气喷流在旋翼下洗气流作用下的偏转能够形成对后机身表面的撞击,排气系统的引射能力有微弱的降低,引射系数减小约0.01;而当排气喷口斜向上或侧向时,排气喷流对后机身未形成撞击,引射能力得到了一定程度的提升,引射系数最大增大0.12.      

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%.      

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.      

混合管出口掺混距离对气流温度的影响

就弯曲混合管出口与模型出口之间相对距离的改变,对一体化红外抑制器模型出口混合气流温度的影响进行了数值模拟和分析.并通过实验,对出口间距变化时模型壁面的红外辐射场进行了测量.结果表明,延长混合管出口与模型出口之间相对距离,可以增加混合管热排气与冷却气流的掺混距离,使模型出口混合气流温度峰值下降约42%;但同时会使模型壁面在3～5μm波段和8～14μm波段的红外辐射强度有所增加.      

一体化红外抑制器后机身狭缝进口布置对气流组织和红外辐射特性的影响

针对一体化红外抑制器后机身顶部狭缝进气口布局的精细化设计需求,提出了改变进气狭缝位置以及面积的4个方案,基于旋翼下洗气流和尾桨气流的简化模型进行了后机身内外流耦合流动传热数值研究,并运用正反射线追踪法计算得到了后机身3~5 μm波段和8~14 μm波段的红外辐射强度空间分布,通过对比分析了狭缝进气口布局对一体化红外抑制器后机身气流组织和红外辐射特性的影响。结果表明：旋翼下洗气流对于机身两侧排出的热喷流掺混作用有所差异,存在尾桨气流时排气热喷流对喷口附近机身壁面的局部加热效应更显著;后机身顶部进气位置影响旋翼下洗气流的进气流量以及机身内部气流流动,进气口布置在后机身顶部外侧不利于旋翼下洗气流的导入,而进气口布置在后机身顶部内侧则导致旋翼下洗气流在混合管与机身壁面之间的局部流动较弱,使得该区域的气流温度较高;进气口面积增大虽有利于减小表面局部热点区域,却导致后机身上方的红外辐射强度有较大的增强。因此,进气口的位置和面积是重要的设计参数,合理的后机身内部气流组织可以提供有效的混合管冷却和后机身壁面热防护,改善3~5 μm波段和8~14 μm波段的红外辐射强度空间分布。     

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.      

一体化红外抑制器遮挡和出口修型对后机身表面温度和红外辐射特性的影响

针对与后机身融合的一体化红外抑制器模型,采用数值模拟的方法研究了内部遮挡和出口修型对后机身表面温度场和红外辐射特性的影响。在混合管外部采用遮挡套或曲面遮挡板可有效降低后机身侧壁面对应混合管后段的局部区域最高温度,两种方式均可有效降低水平探测面以及铅垂面上方3~5 μm波段和8~14 μm波段红外辐射强度峰值;然而,加装遮挡套方式会影响旋翼下洗气流的导入,使3~5 μm波段的红外辐射强度在铅垂面下方较基准模型有小幅的增加。对后机身排气口进行出口修型,虽然对降低后机身3~5 μm和8~14 μm波段红外辐射强度的作用效果并不显著,但可以有效消除排气出口下方壁面的高温区,其中采用狭窄流道引气冷却方式可以使得后机身侧壁仅高于环境温度10 K左右。     

旋翼下洗气流对红外抑制器性能的影响研究

利用地面模拟试验件实验研究了直升机旋翼下洗气流对红外抑制器气动及红外隐身性能的影响。结果表明,旋翼下洗气流对红外抑制器的气动性能、特征温度、红外辐射等都有明显的影响。旋翼下洗气流速度的增加,将造成红外抑制器的引射系数降低,出口气流温度升高,出口气流温度分布均匀度增加,并使整流罩及外套特征温度迅速增加。存在一个最佳旋翼下洗气流速度,使储物仓特征温度最低。最终,使得在模拟悬停状态下,考虑和不考虑旋翼下洗气流相比,3～5μm的平均红外辐射强度大约增加35%。      

直升机传热与红外特征建模与分析(英文)

直升机蒙皮表面及排气温度分布受到发动机排气系统、旋翼下洗气流和太阳辐射的直接影响。为了能够精确地模拟直升机蒙皮表面及排气温度分布,在进行处于悬停状态的直升机三维流场和温度场建模与分析时,综合考虑了旋翼下洗对喷流的影响和太阳辐射对机身加热的影响。基于温度场和流场数据,通过正反射线踪迹法对直升机红外波段辐射强度的分布进行计算。针对一假想的排气系统与后机身融合的直升机模型,本文对其热特性和红外辐射特性进行了数值计算和分析。     

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟地面状态

采用数值模拟方法对涡扇发动机排气系统球面收敛二元矢量喷管的气动和红外辐射特性进行了研究，研究仅针对地面状态和俯仰偏转.结果表明:俯仰偏转角在小于20°范围内，俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱，气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等；由于气体的容积性热辐射特征，喷管俯仰偏转角的变化引起高温喷流红外辐射的方向性变化明显，喷管俯仰偏转时的热喷流在3~5μm波段红外辐射呈现一定幅度的增加；排气系统在3~5μm波段的红外辐射峰值随俯仰偏转角的增加而趋于减小，其出现位置小于俯仰偏转角；在大的俯仰偏转角下，排气系统在垂直探测平面上方的红外辐射较无矢量偏转情形有所降低，但在探测面下方却有明显的增强，导致另一个峰值的出现.      

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.      

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。     

发动机背负式安装无人机的排气系统红外特征的计算研究

用数值模拟的方法研究了对发动机背负式安装的无人机排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件计算,红外辐射特征采用根据离散传递法自行发展的程序进行计算,研究了排气系统在3～5μm波段红外辐射强度的空间分布.在红外辐射计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射、燃气组分CO₂、H₂O和CO的吸收-发射、后机身结构的遮挡以及大气吸收等影响.结果表明:通过发动机的背负式安装、尾喷口的下遮挡设计及其相对机身的内缩可使排气系统在下半球的红外辐射强度明显降低,但由此也造成了上半球的辐射强度有所增强;大气对该无人机排气系统前半球红外辐射的吸收明显强于后半球.      

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.     

涡扇发动机轴对称引射收敛喷管红外辐射特性

数值研究了涡扇发动机轴对称引射收敛喷管的红外辐射特性.排气系统的流场计算采用商用数值模拟软件,红外辐射特性计算采用自主开发的软件NUAA-IR,计算分析了轴对称收敛喷管和引射收敛喷管在3~5μm波段红外辐射特性以及喷管内不同固体壁面在探测方向上的红外辐射贡献.结果表明:引射收敛喷管的红外抑制作用主要在于引射加强了尾喷流与环境大气的掺混,减小了尾喷流的长度,降低了燃气流的红外辐射;引射收敛喷管对喷管内固体壁面的遮挡以及降温作用很小,只在方位角为20°方向上对内涵壁面、外涵内壁等中低温壁面有效;引射收敛喷管的总积分辐射强度在方位角为0°~15°范围内与收敛喷管几乎相等,在其他方位角范围内均小于收敛喷管,且在方位角为40°方向上降低幅度达到最大,约为34%.      

涡扇发动机排气系统红外特征

采用反向蒙特卡罗法(Reverse Monte-carlo,简称RMC)结合窄带模型计算了模型涡扇发动机(不带加力)排气系统的红外辐射强度。考虑了金属壁面的发射和反射以及燃气中CO2,CO和H2O等组分的吸收、发射和透射,组分的吸收系数由NASA SP3080数据库获得,并对判断射线归宿的过程进行了改进,开发了计算程序。实验测量了模型涡扇发动机排气系统的中波红外光谱辐射强度及其空间辐射强度分布。结果表明:计算得到的3～5μm波段内的光谱辐射强度以及空间辐射强度分布与实验值吻合较好,最大误差为10%左右,本文的计算方法能比较准确地反映涡扇发动机排气系统在非加力状态下的中波红外辐射特征。     

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.      

红外抑制器模型出口温度的实验

利用地面模拟试验件实验研究了气流参数对直升机发动机喷管出口温度的影响。实验中主喷管气流温度610℃, 压力为常压, 下洗气流温度为常温, 速度范围为4.4～11 m/s。结果表明, 模型出口排气温度随着主喷管流量增加而线性增加, 引射系数随着下洗气流速度增加而减小, 出口排气温度随下洗气流增加时有一个峰值, 增加下洗气流速度有助于降低外套壁温。实验发现外套出口和混合管之间夹层存在气流倒流现象, 倒流平均速度随着主喷管流量和下洗气流速度增加而增加。      

齿冠形收敛喷管模型气动和红外辐射特性数值研究

针对齿冠形收敛喷管的气动和红外辐射特性进行了数值计算,并与常规收敛喷管进行了对比.在本文研究范围内的结果表明:①齿冠形收敛喷管的推力损失大于常规收敛喷管;②齿冠形尾缘引射外界大气与主流掺混的能力强于常规收敛喷管,核心区长度得到有效衰减;③齿冠形喷管的热喷流3～5μm红外辐射强度在侧向相对常规收敛喷管的衰减量在15%左右,尾缘内倾角对于尾喷流红外辐射强度衰减的影响甚微;④齿冠内倾时,尾向处能遮挡喷管内部热部件.