几何对称横向射流入射对尾喷流红外辐射特征抑制的数值研究

降低高温核心区长度是减小尾喷流红外辐射的有效途径。针对某轴对称收敛喷管,研究1种横向射流主动强化尾喷流掺混与红外抑制技术,采用横向射流技术强化外流与热喷流的掺混,通过数值模拟方法研究了2股横向射流喷射频率与流量变化对强化尾喷流掺混与红外抑制特性的影响规律。结果表明:在与横向射流流动方向垂直的探测面上尾喷流辐射强度衰降明显,探测角度为90°时红外辐射强度衰降可达48%。随着2股射流流量差的减小,强化掺混与红外抑制效果逐渐增强。     

横流注入形式对发动机尾喷流红外辐射特性影响的数值研究

针对轴对称收敛喷管，在其出口设计了横向射流装置，在保持横流总流量相同且进口总温为840K的情况下，数值模拟研究了横流不同注入形式对发动机尾喷流红外辐射的抑制效果.横流的注入能够增强尾喷流与外界气流的掺混，减小高温区长度.结果表明:周向4股注入时的掺混效果要明显弱于横流单股、双股相对注入，故其红外抑制效果也较差；在侧方探测面上，方位角大于20°时，横流单股注入与双股相对注入时的抑制效果非常接近,但后者效果稍好，其最大降幅达到71.6%；在下方探测面，两者的辐射强度均要比其在侧方探测面时大，且双股相对注入时的辐射强度与周向4股注入形式相当；在上方探测面上，相对于其他注入形式，横流单股注入时的辐射强度相对较小，最大降幅达到78.4%.      

微喷射流强化尾喷流混合的三维数值模拟

尾喷流是飞行器主要的红外辐射源之一,采用微喷射流技术能够对尾喷流红外辐射进行有效控制.对将微喷射流技术用于尾喷流混合进行数值模拟,研究结果表明:采用微喷射流技术后,在尾喷流中形成流向涡,强化了尾喷流与周围空气的掺混,高温核心区面积减小,并且发现微喷射流的出口横向尺寸和微喷射流在主喷流中的穿透深度是影响掺混的决定性因素.      

横向射流对排气系统红外辐射影响的实验研究

为了研究横向射流注入后飞机发动机排气系统红外辐射的变化情况,设计了不同横向射流注入方案。实验探测了在喷口处注入横向射流后,排气系统在水平探测面上,3~5μm波段内的红外辐射强度。分析了排气系统的光谱辐射强度和积分辐射强度的变化情况,并结合速度分布图及红外热像图给出了解释。由于射流能够挤压尾喷流,提高主流剪切层脉动强度,强化其与冷气流的掺混,不同方案横向射流的注入,均能引起排气系统红外辐射强度的降低;在同一个探测面上,探测器能探测的红外辐射强度因不同射流方案对尾喷流的挤压方向不同而有较大差异,探测到的红外辐射由强到弱的方案依次:垂直注入、周向四股注入和水平注入;对尾喷流而言,相比于无横向射流注入状态,采用横向射流双股、单股垂直注入时,其红外辐射强度分别下降了60%,45%;横向射流双股、单股水平注入时,分别下降了5.1%,5.3%;采用周向四股注入时,下降了24.7%。     

超音尾喷流红外抑制方案的研究

超音速发动机尾喷流的红外抑制是超音速飞行器隐身性能的重要组成部分。本文提出两种超音速尾喷流的红外抑制方案二次旋流方案与组合波瓣方案 ,并对两种方案共 7组试验件在不同的结构和二次流速度情况下进行了大量重复试验。在旋流方案试验中 ,对二次流加旋诱发大尺度流向涡进行了系统的研究 ,得到旋流角度、二次流速度等对掺混效果的影响规律 ,试验结果表明 :对于本结构方案 ,当二次流速度为 49m/s,旋流角在 3 0°左右 ,掺混效果最好 ,且随二次流流速的增加而加强。在组合波瓣方案的试验中 ,对组合波瓣用于超音尾喷流红外抑制进行了研究 ,试验结果表明可对超音尾喷流的红外起到有效的抑制作用。     

收扩喷管加小突片对尾喷流红外辐射的影响

针对收扩喷管,在高温(约640℃)、高速(超音速)流动状态下,实验研究了加装小突片后对飞机发动机尾喷流红外辐射的抑制效果,并探讨了小突片堵塞比、小突片后倾角度等因素对红外辐射抑制特性的影响。结果表明,小突片对热射流的红外辐射具有明显的抑制作用,不仅使热射流的核心区长度大为缩短,而且使热射流的总体红外辐射信号大幅度下降(在本文实验范围内,最大可下降约57%)。      

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。     

基于大涡模拟的圆转矩喷管尾喷流强化掺混机理研究

为揭示2元圆转矩喷管尾喷流强化掺混的内在机制,应用大涡模拟(LES)方程对2种相同进、出口直径的喷管模型(轴对称、2元圆转矩)在Ma=0.8、高雷诺数(2×10~5)条件下进行了数值模拟计算。结果表明:与轴对称喷管相比,圆转矩喷管射流掺混效应增强,速度衰减快,核心区长度和高温区域面积减小。同时尾喷流拟序结构变化说明:2种喷管主要拟序结构均包含涡环、涡辫、发卡涡、螺旋涡等相似结构;但圆转矩喷管在射流近场诱导出的涡旋更丰富,边角剪切涡发展更快,形成明显的CVP结构,导致其射流柱失稳时刻提前、距离缩短;同时,喷管形式的改变使得射流剪切层内雷诺应力增大,速度脉动增强。拟序结构发展及雷诺剪切应力变化说明在射流流场中涡旋发展耗散速度增大、速度边界层脉动增强、射流柱易失稳是导致射流掺混增强的本质因素,为异形喷管的强化掺混机理提供了依据。     

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%。      

辐射板强化喷管换热与红外抑制效果试验研究

试验研究了在发动机喷管中加装金属辐射板前后,喷管壁面温度、热喷流温度与喷管红外辐射特征的变化.结果表明,加装金属辐射板后,热喷流与喷管壁面之间的热量传递显著增强,热喷流中心温度降低,壁面温度明显升高,在90°方向上,热喷流3 ～ 5μm波段的红外辐射强度降低了38.5％.文中从热喷流、喷管壁面以及金属辐射板等相关部件的温度变化情况对红外辐射强度的变化原因进行了解释.     

涡扇发动机排气系统中心锥气膜冷却结构的气动和红外辐射特性实验

以降低涡扇发动机排气系统红外辐射为目的,针对某型涡扇排气系统构建1/3缩比模型,采用实验的方法比较了中心锥有/无冷却的排气系统喷流温度场和红外辐射场,验证了中心锥冷却结构能够大幅度降低涡扇发动机排气系统尾向红外辐射强度.研究结果表明:中心锥表面在外涵气体冷却下温度降低,同时尾焰核心温度也降低.当涵道比为0.3时,在0°~10°范围内,气膜冷却中心锥体排气系统红外辐射降低24%~32%;在20°~90°范围内,红外辐射强度降低0.8%~2.1%.当涵道比增加到0.8时,0°方向的红外辐射强度降低60%;20°~90°范围内的红外辐射强度降低了33%~51%.      

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%.      

压电振子激励流场的数值模拟

为了得到多个压电振子的相干性和涡系之间相互干涉的流场信息,探索间距和相位差等因素对多个压电振子耦合流场的影响效果,本文对单个与多个压电振子的非定常流场特性进行了数值模拟研究.结果表明,压电振子振动时,流场中出现了速度涡区,单个振子的涡系发展最充分,流场中速度峰值达4m/s,三个振子的垂直方向作用范围最大,但速度峰值只有2.8m/s;振子振幅为A,振子间距在1A ～4A,流场掺混效果与振子间距成正比,有1/2相位差时流场掺混效果优于无相位差的情况;多个振子产生的耦合射流效果在适当的间距与相位差下好于单个振子产生的射流.     

球形离散颗粒抑制尾喷流红外辐射传输数值模拟

以气溶胶烟雾红外抑制技术为背景,以Mie散射理论为基础,利用Fluent软件计算获得气固两相流场,采用射线踪迹法(RTANM)编制红外辐射传输计算程序开展了球形固体微粒环尾喷流喷射抑制喷流红外辐射传输数值模拟研究.研究参数主要考虑颗粒本身的光学特性以及颗粒在喷流射流中的扩散规律对抑制效果的影响.研究表明,各种影响因素中粒径对红外抑制率的影响最为显著,3～5μm范围内粒径在1.0μm左右最佳.      

端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅涡系结构和流动损失影响的数值研究

为探究端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅中涡系结构和流动损失的影响,采用非定常数值模拟方法分析了不同激励参数下合成射流对Durham叶栅流动损失的控制效果以及涡系结构和流动损失的对应关系。结果表明,合成射流减小了前缘马蹄涡和通道涡的尺度,削弱了来自相邻叶片压力面的横向涡,略微增强了壁角涡,并间接削弱了壁面涡;在无量纲幅值和频率分别为0.073和1时,控制效果最佳,总压损失系数减小约为10.72%;从控制机理上讲,合成射流加强了主流和射流下游边界层的掺混,增加了边界层动量,从而削弱了马蹄涡;合成射流影响了叶片压力面的流动分离,改变了由于分离产生低能流体的位置和范围,从而削弱了横向涡。由于漩涡的削弱,流动损失也随之减小。     

尾缘修形的二元喷管内外流场数值研究

针对美国第四代战斗机F-22在二元收-扩喷管设计应用上的特点,利用时间推进的有限体积法对二元喷管尾缘修形前后非矢量状态下的内外流混合流场进行了数值模拟。结果表明:二元喷管出口尾缘修形使得喷管出口下游流场中出现了很强的流向涡,能够促进内外流的强化混合,对缩短高温核心区、加快尾喷流沿流向的温度衰减有明显效果,对抑制尾喷流的红外辐射有一定好处。      

不同射流角下等离子体激励对平板气膜冷却影响的数值研究

采用大涡模拟（LES）方法对有/无等离子体激励条件下不同射流角时的平板气膜冷却流场进行了对比研究。结果表明:随着射流角的增大，冷却射流对主流的穿透率与气膜孔下游回流区的范围增大，发卡涡的强度及其抬升射流的能力增强并远离壁面，导致气膜冷却效率降低，但射流角为90°时部分低能冷却流体会进入回流区引起气膜冷却效率升高，故气膜冷却效率在射流角为35°时最大，在射流角为60°时最小；等离子体激励削弱了冷却射流对主流的穿透率，其下拉诱导作用也使得发卡涡头部受到的库塔 儒科夫斯基升力以及水平涡腿间的相互诱导力减小，抑制了发卡涡的发展并促使其破碎为近壁条带结构，从而提高了气膜冷却效率，且射流角越小，上述作用效果越明显，当射流角为35°时中心线气膜冷却效率提高了55%。      

不同等离子体激励强度下气膜冷却特性的大涡模拟研究

为进一步改善燃气轮机叶片气膜冷却效果,采用大涡模拟(LES)方法对不同等离子体激励强度情况下的平板气膜冷却流场进行了数值模拟研究。结果表明:与无等离子体激励时相比,等离子体激励强度逐渐增至10时射流出口最大流向与法向速度分别增大了16%和7%左右,并移向气膜孔的尾缘,而气膜孔前缘附近的法向速度约减小了4%,从而减少了射流迎风面上冷、热气流的掺混;等离子体对气膜孔下游回流区的动量注入效应使得回流区内的流向速度增大,抑制了横流绕流分离旋涡的发展;等离子体气动激励削弱了肾形涡对的强度及其抬升冷却射流的能力,从而提高了气膜冷却效率,中心线气膜冷却效率随激励强度的增大而升高,当激励强度为10时中心线气膜冷却效率最大提高了55%。     

全遮挡导流支板对排气系统红外特性的影响

为了降低末级涡轮转子对排气系统尾向红外(IR)辐射贡献,对涡轮后导流支板进行低红外特征结构设计,通过模型试验的方法研究了基准轴对称排气系统和不同支板冷却状态的全遮挡导流支板(FSGS)排气系统的红外特性。研究结果表明:全遮挡导流支板表面温度低于末级涡轮表面温度,但全遮挡导流支板结构会使下游隔热屏和喷管壁面温度明显升高;全遮挡导流支板对排气系统尾向0~10°角域红外辐射有较好的抑制作用,正尾向红外辐射强度比基准轴对称排气系统低13.9%;支板壁面气膜冷能进一步降低排气系统尾向0~10°角域内的红外辐射强度,支板冷却气密流比(BR)为0.5、0.7和0.9时,全遮挡导流支板排气系统0°方向的红外辐射强度的降幅分别为18.1%、25.8%和34.5%。因此,带气膜冷却的全遮挡导流支板是抑制末级涡轮对排气系统红外辐射贡献的一种非常有效的手段。     

脉冲能量沉积对超声速射流/激波相互作用掺混的控制研究

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并与20°压缩斜面所产生的斜激波相互作用。在流场中引入脉冲能量沉积对射流掺混进行控制,并考虑射流马赫数、射流长度、能量沉积位置及激励频率对掺混效果的影响。对比激励流场与基础流场,结果表明:脉冲能量沉积的加入诱导射流形成大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果;能量沉积位置对于不同马赫数射流的掺混增强具有不同的控制效果;激励前后射流宽度的对比表明,脉冲能量沉积的无量纲激励频率在0.22附近时,可使得射流的掺混效果最佳。