小偏距S弯二元喷管的红外辐射特性数值分析

为了降低飞行器的红外辐射,适应发动机排气系统与飞机后机身的匹配,设计了一种非常规的S弯二元喷管,喷管出口中心线与发动机轴线不共线,有一个小偏距.在商业软件中计算该S弯二元喷管的温度场、速度场、压力场和组分浓度的分布,采用自主开发的红外软件,用反向蒙特卡罗法计算该喷管的红外辐射特性,并与基准轴对称喷管的计算结果进行对比,计算结果表明:采用小偏距S弯二元喷管后,能够对排气系统内部高温部件有一定的遮挡,对红外辐射特征有一定的抑制作用,最大能够降低33%的红外辐射.      

S弯二元喷管红外辐射特性实验

基于轴对称排气系统设计了一套S弯二元喷管的实验模型,在实验工况下测量了喷管实验件的部分流场参数和远场红外辐射特性,对S弯二元喷管的红外辐射特性进行了分析和研究,并与基准轴对称喷管的红外辐射实验结果进行了对比。结果表明:上方探测平面是S弯二元喷管的主要辐射方向,其最大辐射角度为15°,在该方向角上固体壁面辐射的贡献最大。下方和侧向探测平面各方向角的红外辐射强度明显小于上方探测平面,主要是由于S弯二元喷管遮挡了大部分的内部高温壁面。与基准轴对称喷管对比,S弯二元喷管有着明显的红外抑制作用,在尾部方向S弯二元喷管的积分辐射强度相比轴对称喷管降低了81%,最大辐射强度相比轴对称喷管降低了47%,燃气辐射降低50%。      

双S弯喷管流动特性及红外辐射特性分析

基于分区控制技术,发展了型面易控的双S弯喷管型面设计方法,用CFD数值模拟技术,对双S弯喷管的流动特性进行了数值模拟.采用信息通道界面(MPI)并行算法编写了基于离散传递法的红外辐射特性计算程序,对双S弯喷管红外辐射特性进行了计算,并与具有相同进出口面积的轴对称收缩喷管的红外辐射特性进行了对比.研究表明:双S弯喷管宽边探测面红外辐射强度低于窄边探测面红外辐射强度,最大幅度为80%;与轴对称收缩喷管相比,双S弯喷管红外辐射强度明显降低,尤其在宽边探测面的30°~40°探测方向上,比轴对称收缩喷管的红外辐射强度低大约30%.      

一种双S形二元排气系统红外特性的模型实验

通过模型实验测量了一种双S形二元(2-D)喷管排气系统壁面压力和温度分布,以及分别在侧向、下方和上方探测面上的红外辐射强度分布,并与基准轴对称排气系统作了对比分析。实验结果表明:双S形二元喷管排气系统在上方探测面上,红外辐射强度比较大,最大值出现在10°探测角；相比基准轴对称排气系统,双S形二元排气喷管系统红外辐射强度在0°探测角方位平均降低了75.5%,在侧向、下方及上方探测面上90°探测角方位分别降低了57.6%、50.9%和17.3%。      

截面变化类型对双S形二元排气系统性能的影响

为了研究截面变化类型对双S形二元排气系统性能的影响,基于轴对称排气系统,建立了前急后缓(A1)、缓急相当(A2)、前缓后急(A3)三种过渡截面变化类型的双S形二元排气系统模型,这些模型具有相同的长度、中心线、进口直径、出口面积和宽高比,并且对发动机涡轮等部件完全遮挡。采用数值计算研究了截面变化类型对推力及红外特性的影响。研究结果表明:A3,A2,A1型双S形二元排气系统的推力依次降低,与基准轴对称排气系统相比,分别下降了2.7%,3.1%,3.8%;三种排气系统红外辐射强度的空间分布规律基本相似,幅值差异在13.8%之内;与基准轴对称排气系统相比,总体而言,不同截面变化类型的双S形二元排气系统在0°方向红外辐射强度均降低了97%以上,在侧向、上方和下方探测面的90°方向分别降低了66.8%,30.2%和34.1%以上。综合考虑推力及红外特性,前缓后急型过渡截面变化类型的双S形二元喷管是较优的选择。     

对流辐射板抑制涡扇发动机热喷流红外辐射的实验

用对流辐射换热板来降低混合排气涡扇发动机热喷流的红外辐射,并在涡扇发动机热喷流模拟实验台上进行了实验研究.测量了安装对流辐射换热板前后,轴对称喷管的热喷流的温度分布,轴对称喷管和二元喷管的热喷流在3～5 μm波段的红外辐射强度.结果表明:对流辐射换热板可以降低热喷流高温核心区的温度约10%,降低涡扇发动机热喷流的红外辐射强度约20%～30%.      

两种涡扇发动机排气系统红外辐射特性的比较

针对弹用涡扇发动机，计算和比较了3μm-5μm波段轴对称分开排气喷管和轴对称混合排气喷管的红外辐射特性，并与模型实验的结果进行了比较。结果表明，两种类型的排气喷管在红外辐射的空间分布和光谱分布特性方面具有相似的特征，但是红外辐射强度的数值有较大差别；内、外涵混合排气，可以显著降低喷管空腔、尾喷流和整个排气系统的红外辐射。     

二元俯仰矢量喷管排气系统红外特征模拟实验

实验研究了二元俯仰矢量喷管排气系统在几何偏转角0°，10°，20°三种状态下的壁面温度分布与红外辐射特征，并与基准轴对称喷管排气系统进行了对比分析。结果表明:二元俯仰矢量喷管排气系统的红外辐射特征相对基准轴对称喷管排气系统有明显下降，正尾向降幅约10%；随着几何偏转角的增加，隔热屏与收敛段的温度逐渐上升,偏转段压力侧壁面温度略有上升，吸力侧壁面温度略有下降，最大变化幅值30K；排气系统红外辐射强度随偏转角增大而增大，尾向15°~45°和-15°~-60°范围内增幅明显，最大增幅可达70%。      

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.      

二元塞式喷管红外特征及壁面降温的红外抑制效果计算

用数值计算的方法研究了涡扇发动机二元塞式喷管在3~5μm波段的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比.结果表明:无冷却措施时,相比于轴对称收扩喷管,二元塞式喷管在大部分探测角度上红外辐射增强,只在小部分的探测角度范围内具有红外抑制作用,在窄边探测面内探测角为90°方向上,其红外辐射强度降低了54%.若塞锥后部壁面温度降低300K,二元塞式喷管在大部分探测角度范围内的红外辐射强度明显低于轴对称喷管,在正尾向上的红外辐射强度降低了57%;与轴对称喷管中心锥表面降低相同温度相比,二元塞式喷管能取得更高的红外抑制效果,并且所付出的冷却代价较小.      

二元引射喷管高空性能及对无人机红外抑制的数值研究

研究了长/短套管两种结构的二元引射喷管在高空飞行的无人机上的推力特性,以及对无人机3~5μm波段红外辐射特征分布的影响,同时还对比了高空和地面状态下二元引射喷管推力和红外辐射特征.排气系统和无人机的流场、温度场采用商用软件Fluent计算,红外辐射特征采用自主开发的软件（NUAA-IR）进行计算.结果表明:高空状态下二元引射喷管仍可以提高推力特性,但其效果略弱于地面状态;无人机采用二元引射喷管后在大部分探测方向上的红外抑制效果明显,最大降幅为90%;机尾探测方向上长/短套管两种结构的二元引射喷管的红外抑制规律与地面状态不同,短套管二元引射喷管的红外辐射强度大于长套管二元引射喷管,最大增幅为7%.      

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.      

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。     

部件冷却对二元俯仰矢量排气系统红外特征抑制实验

实验测试了采用中心锥气膜冷却和喷管冲击-气膜冷却的二元俯仰（2D-CD）矢量排气系统，在几何偏转0，10，20°三种角度下，壁面温度和红外辐射特征分布，并与未冷却状态进行了对比分析。结果表明:前密后疏的气膜孔排布形式可有效减小热侧面高温区域大小。中心锥冷却时，密流比为0.8条件下壁面冷却效率达45%~63%，排气系统尾向±10°范围内红外辐射强度下降20%；但是由于冷气流注入，导致下游壁面（隔热屏、喷管）温度升高，在30°探测方向上红外辐射强度上升15%。喷管冷却时，收敛段（密流比为0.25）冷却效率达19%~33%，扩张段（密流比为0.65）冷却效率达75.5%~83.5%，侧壁段（密流比为0.65）冷却效率达78%~90%，导致在排气系统尾向15°~75°范围内，红外辐射强度下降30%以上，最大降幅达80%（几何偏转20°，宽边探测面30°探测方向）。      

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。     

漏斗形混合器对涡扇发动机推力和红外辐射特征的影响

计算了漏斗形混合器排气系统的流场、推力系数和红外辐射特征,并与环形混合器进行对比.流场特征采用Fluent商业软件计算,红外辐射特征采用反向蒙特卡罗法计算,分析了漏斗形混合器对排气系统推力系数及红外辐射特征的影响.结果表明:①采用漏斗形混合器有助于外涵低温空气注入内涵高温燃气流,排气系统横截面上温度场呈现菊花瓣形分布.②采用漏斗形混合器后,排气系统推力系数下降0.2%.③采用漏斗形混合器后,排气系统尾喷流的红外辐射在喷管后端都减小,在90°探测角最大减小44.6%,但在大的探测角时排气系统壁面的红外辐射会略微增加.