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%)。      

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。     

矢量二元收扩喷管热射流复杂流场特征研究

提出了一种二元收－扩矢量喷管的概念,用热射流实验台对二元矢量喷管进行了过膨胀状态下的喷管模型热态实验。测量了喷管壁面静压和喷管出口总压分布,用红外热成像技术给出了二元喷管热射流场的清晰画面,并对流场特征进行了描述和分析。研究表明,在非设计状态,二元喷管管内有明显的流动分离现象,喷口射流总压严重畸变,在热射流流场中,射流流场呈现双势核结构。     

不同锯齿对圆转矩形喷管红外辐射特征影响数值模拟

在考虑中心锥、波瓣混合器、火焰稳定器以及加力燃烧室筒体影响的条件下,将轴对称收扩喷管改型设计为圆转矩形基准喷管,进一步在喷管出口进行修型设计.并对不同锯齿喷管流动、换热与红外辐射特征进行了数值分析.得到如下结论:考虑高温部件后,喷管红外辐射强度的方向性特征更加明显;相比圆转矩形基准喷管,采用多个小尺寸锯齿时,射流高温区长度有一定缩短,采用单个大尺寸锯齿时,高温区长度进一步缩短,其正后方红外辐射强度降低;将轴对称收扩喷管改为圆转矩形喷管并加装锯齿后,强化尾喷流与外流掺混,降低其红外辐射强度的同时带来了一定的推力损失.     

二元收扩喷管气动方案优化设计

为掌握二元收扩喷管气动特性和设计方法,通过数值模拟方法对采用超椭圆方程进行圆转方过渡的小宽高比二元收扩喷管进行研究。计算分析了喉道宽高比、圆转方段长度、收敛调节片长度及扩张调节片长度4个参数对二元收扩喷管气动性能的影响,通过对上述4个参数的优化得出了综合性能较优的二元收扩喷管气动方案。研究结果表明:经过适当优化,二元收扩喷管能够满足工程应用要求,同时,鉴于其在隐身和矢量推进等方面的优势,有必要对其开展更加深入地研究。     

小突片强化混合结构三维流场数值模拟

采用Roe通量差分分裂格式对带有小突片的轴对称收-扩喷管内外流场进行了数值模拟。小突片形状有三角形和梯形，数目为2个或4个，堵塞比为0.02，0.04和0.06，相对高度为0.08和0.16，安装角分别为120°，135°和150°。计算结果表明在喷管出口安装2个或4个小突片能使得喷管下游内外流掺混时间及掺混距离大为缩短，而对喷管的推力系数影响不大。采用小突片对于降低喷流噪声和抑制尾喷流红外辐射是非常有利的。     

考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算

基于N-S方程求解了包括引射流、加力燃烧室在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的流场,建立了考虑导热、对流换热和辐射换热作用的轴对称收扩喷管各层壁温分布的计算模型,包括隔热屏、喷管简体、外调节片三层结构.对某航空发动机进行了多工况计算,燃气的物性随压力、温度和油气比的变化采用了一系列精度较高的计算公式和计算方法.计算结果表明:基于密度求解器求解包含引射流在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的跨声速流场是成功的.隔热屏和收扩喷管筒体沿流向温度逐渐升高,喷管筒体壁温在喉部达到最大,在扩张段逐渐降低;收扩喷管外调节片壁温与收扩喷管简体的壁温变化规律相同,但是壁温最大值则位于喉部前某一位置.计算结果与经过试验验证程序的结果符合良好.      

小突片强化混合研究

测试了亚声速 （Ｍａ＝ ０．３５） 下小突片 （Ｔａｂｓ） 对轴对称收缩喷管射流的强化混合效果, 并探讨了小突片安装个数、后倾角度、堵塞比等因素对强化混合作用的影响。结果表明, 小突片对喷管射流的混合具有显著的强化作用, 不仅使下游流场发生显著变形, 使核心流的衰减显著加快（核心流长度从５Ｄ 降至大约１．５Ｄ）, 还使引射系数显著增加（本文中最大增加到２．７ 倍）。     

轴对称收扩喷管温度场数值仿真

为了提高轴对称喷管壁温仿真精度及获得影响壁温的主要因素,通过加力燃烧室和轴对称收扩喷管联合仿真,并将 CFD数值模拟结果和试验状态喷管壁面温度进行对比分析,研究了边界条件对喷管壁温的影响。基于加力喷管联合仿真提取喷 管入口参数的方法研究了收敛段隔热屏结构形式、收敛段冷却通道高度和冷却气流量对轴对称收扩喷管壁面温度的影响。结果 表明：采用加力和喷管联合仿真计算时喷管调节片链温度与试验结果规律一致,差值较小约50 ℃;随隔热屏加长调节片温度降 低,密封片温度升高;后端半圆形缺口的隔热屏使得扩张段温度呈V型分布,调节片温度升高,密封片温度降低;全环隔热屏对调 节片和密封片均有较好的冷却效果;随冷却通道高度减小2 mm,调节片温度升高50 ℃,密封片温度降低;随冷却气流量增加1 kg/s 喷管最高壁温降低200 ℃。     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系。实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱。     

小突片对热射流红外辐射的影响研究

实验研究了收敛喷管在高温（约913K）、高速（超临界）流动状态下，加装小突片后对热排气的红外辐射抑制特性，并探讨了小突片安装片数、后倾角度、堵塞比等因素对红外辐射抑制特性的影响。结果表明，小突片对热排气的红外辐射具有明显的抑制作用，与不装小突片的相比，不仅使热排气的核心区长度大为缩短，而且使热排气的总体红外辐射信号大幅度下降（在实验范围内，最大可下降约73％）。     

涡激励突片射流冲击冷却的数值研究和试验验证

运用数值计算方法研究带涡激励突片的单排圆形射流冲击冷却特性,同时对数值计算结果进行试验验证。研究表明,与无突片的圆形射流以及不倾斜的突片相比,三角形突片相对于主流倾斜45°和135°能较好地改善冲击区的换热。由于流向涡的存在,有突片射流的流向速度等值线呈现瓣状分布,且随着流向距离的加大逐渐扩散,直至消失。计算与实验结果吻合。     

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。     

气膜孔内置扰动条作用下的射流-横流流场

为改善气膜冷却效率,提出了在倾斜气膜孔前缘内置扰动条的结构。通过与典型的圆柱形气膜孔流场的对比研究,总结出内置扰动条对流场的影响规律。研究结果表明,在射流-横流流场中,内置扰动条减小了射流向主流的穿透,使反向旋转涡对向壁面靠拢,穿透顶点下移;扰动条使下游反向涡对的强度增大;随着吹风比的增大,气膜孔下游同一位置处的流向涡强度增大,这一方面增加了主次流的相互掺混,另一方面也增大了流体沿展向的相互掺混。     

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。      

颗粒对小突片喷口湍射流调制的研究

为了探讨小突片喷口的两相湍射流中颗粒对气相场的影响,采用三维颗粒动态分析仪PDPA测量了气相湍流度的分布,证实了小突片对单相湍射流的强化混合作用。进一步的测量结果表明,在安装小突片喷口的射流中,大小粒径不同的颗粒对气相湍流的调制作用与圆喷口射流中相反。研究表明,当小突片和颗粒多种因素共同作用于湍射流时,最后的效果不等于每种因素单独作用效果的简单叠加。     

尾喷管内外超声速流场数值模拟

采用有限元法数值模拟带二次流可调收－扩喷管内外跨声速和超声速流场，在计算中采用四边形等参元确定位移函数，利用加权余量法中的Galerkin法建立有限元方程，数值研究三种型式喷管和四种飞行工况下尾喷管内外流场。计算结果与实验数据符合较好，说明可用此数值模拟技术帮助开展实验研究，进行尾喷管优化设计。     

宽高比对尾向可见明火矩形喷管红外抑制特性影响研究

以国外某型先进无人机上使用的涡扇发动机为基础,缩比4.3倍得到轴对称收敛喷管AR0,并在出口面积相同的条件下改变喷口形状得到5组不同宽高比(W/H=1～1)的矩形喷管模型(AR1～AR1).用傅立叶红外光谱仪对喷管与热喷流在3～5 μm波段上的红外辐射进行了测试.研究发现,与轴对称喷管相比,矩形喷管减小了红外源的辐射,起到了明显的红外抑制作用,并且其红外抑制特性随着宽高比的增大是逐渐增强的.