固液混合火箭发动机喷焰红外辐射特性分析

为了研究固液混合火箭发动机喷焰在不同飞行状态的红外辐射特性,建立了固液两相状态下喷焰的红外辐射计算模型,获得了喷焰在2~12μm波段的红外辐射.将喷焰的温度、压力、摩尔组分等作为输入条件,米氏散射(Mie)模型计算颗粒相的散射,采用有限体积法(FVM)离散辐射传递方程,利用中分辨率大气辐射传输(MODTRAN)模型计算不同观测距离的大气透过率,编程计算得到不同飞行高度,不同观测方向下喷焰的红外辐射.结果表明喷焰红外辐射亮度与温度分布类似,在2.7~3.0μm和4.2~4.5μm波段范围内的辐射较强,高温粒子在近红外比远红外对总辐射的贡献大,太空与地面观测不同飞行高度的发动机喷焰辐射率因大气衰减的不同而有所差异,可为目标跟踪与发动机设计提供参考.      

发动机排气系统及尾喷流的流场和红外特征数值模拟

建立了发动机排气系统及尾喷流的内外流一体化流场数值模拟计算模型,得到了发动机排气系统及尾喷流的流场.然后采用辐射传递方程(RTE)积分法研究了发动机排气系统及尾喷流的红外辐射特征,开发了相应的红外辐射特征计算源程序.程序可以计算加力和非加力两种状态下的红外光谱辐射特征,在加力状态下主要增加考虑了soot粒子的光谱吸收与发射.气体介质考虑了水蒸气、二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮的红外光谱吸收与发射.最后给出了在光谱3～5 μm范围内,某发动机在高空飞行时其排气系统及尾喷流在加力和非加力状态下的红外辐射特征的模拟结果.      

月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.      

轴对称矢量喷管红外特性的数值计算研究

研究了轴对称矢量喷管在光谱2100～5260cm-1范围内红外特性的数值计算方法,并开发了三维计算程序,可以计算喷管在加力与非加力状态下的红外辐射特性。计算中考虑水蒸气和二氧化碳的光谱吸收与发射,在加力状态下还考虑烟粒子的光谱吸收与发射。给出了在光谱2100～5260cm-1范围内,轴对称矢量喷管在加力与非加力状态下壁面及喷口辐射的计算结果。应用本文的程序计算某型实际发动机上轴对称矢量喷管红外特性的结果与发动机试车的实验结果基本一致。      

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。     

航空发动机排气系统红外辐射特征数值计算研究

基于N—S方程,建立了某型发动机排气系统的数值计算模型;利用辐射传输方程（RTE）积分法所编制的红外辐射特征计算程序,计算了该发动机在地面工作状态下的红外辐射特征分布;在加力状态下,考虑了soot粒子的光谱吸收与发射。分析了水蒸气、二氧化碳、一氧化氮和一氧化碳气体介质的红外光谱吸收与发射,并考虑了红外辐射在大气中的传输,最后给出了在3.0～5．0μm波段内排气系统的红外辐射强度分布。     

用Tam-Ganesan湍流模型研究排气系统红外辐射特性

通过三维流场、介质的质量浓度场与辐射场耦合求解方法,计算了1台有中心锥的轴对称喷管的空腔-喷流组合红外辐射特性.利用专门为自由剪切流动发展的Tam-Ganesan湍流模型,有效提高排气系统红外辐射模拟精度.采用有限体积法(FVM)结合窄带模型(NBM)计算了排气系统在3~5μm波段的辐射传输问题,并考虑大气衰减作用.对比了采用标准 k - ε 模型和Tam-Ganesan模型对排气系统核心区长度的影响,以及由此引起的排气系统红外辐射特性的变化.通过与试验数据对比证明了该结果的准确性,结果表明选择合适的湍流模型对计算排气系统红外辐射特性有重要的意义.      

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.     

应用间断伽辽金方法求解二维欧拉方程

在二维非结构网格上,构造了规范正交基作为测试函数,应用不同精度的间断伽辽金方法(DGM)数值求解二维Euler方程,其中数值通量项采用Lax-Friedrichs格式计算.通过对绕NACA0012翼型的跨音速流场的数值模拟,分析了该方法在捕捉间断解方面的特性;同时借鉴有限体积法(FVM)中的一些技术,对求解方案进行了优化.把间断伽辽金方法和有限体积法计算的结果进行比较,认为前者能够更好地处理间断解问题.     

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.      

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。     

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.      

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%.      

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。     

气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟

针对气动加热条件下光学窗口辐射导热耦合传热开展研究,以了解光学窗口的热辐射发射规律及热防护性能。采用有限体积法、蒙特卡罗法、谱带模型建立了具有镜反射界面的光学窗口辐射传输及辐射导热耦合传热计算模型,对具有两层SiO2玻璃的光学窗口传热特性进行了模拟。结果表明处于高温区玻璃向外发射热辐射,低温区玻璃吸收热辐射;除了加热面附近外的玻璃区域,辐射热流密度远大于导热热流密度,在2.9～4.2μm谱带内的辐射热流密度大于0.4～2.9μm谱带内的;在0.4～2.9μm谱带内,可见光波长内的出射辐射热流密度最小,中红外波长范围内出射辐射热流密度最大。在光学窗口总厚度一定的情况下,降低玻璃层厚度和玻璃夹层气体热导率能够有效降低光学窗口非加热面稳态温度。     

纳米隔热材料热辐射特性的理论计算

高温下纳米隔热材料内热辐射的影响将显著增强,其热辐射特性对热辐射传热有很大影响。为了认识高温纳米隔热材料的热辐射特性,采用Mie理论建立了掺杂纤维增韧剂和遮光剂的纳米隔热材料热辐射特性理论计算方法,编写了纳米隔热材料热辐射特性计算程序,对某纳米隔热材料的热辐射特性进行了理论研究,得到了光谱衰减系数、光谱散射反照率以及全光谱平均辐射特性参数及散射相函数。理论模拟结果表明:在3～9.5μm波长范围内,纳米隔热材料对热辐射具有强烈的衰减作用,对3～7μm的热辐射呈现强烈的散射特征,对7～9.5μm的热辐射,随波长增大散射特征逐渐减弱,对9.5μm的热辐射呈现较强的吸收特征。在300～1 300 K,该纳米隔热材料全光谱平均衰减系数>5×104 m-1,平均散射反照率>0.96,具有较强的前向散射特征,这些特征来源于遮光剂粒子,增韧剂影响很小。     

A new model to simulate infrared radiation from an aircraft exhaust system

A multi-scale narrow band correlated-k distribution(MSNBCK) model is developed to simulate infrared radiation(IR) from an exhaust system of a typical aircraft engine.In this model,an approximate approach instead of statistically uncorrelated assumption is used to treat overlapping bands in gas mixture.It significantly reduces the requirement for computing power through converting the exponential increase of computing power consumption with the increase of participating gas species to linear increase.Besides,MSNBCK model has a great advantage compared with conventional methods which can estimate each species' contribution to the total gas mixture radiation intensity.Line by line(LBL) results,experimental data and other results in the references are used to evaluate this new model,which demonstrates its advantage in terms of accuracy and computing efficiency.By coupling this model and finite volume method(FVM) into radiative transfer equation(RTE),a comparative study is conducted to simulate IR signature from the exhaust system.The results indicate that wall's IR emission should be considered in both 3-5 μm and8-14 μm bands while gases' IR emission plays an important role only in 3-5 μm band.For plume IR radiation,carbon dioxide's emission is much more significant than that of water vapor in both3-5μm and 8-14 μm bands.Especially in 3-5 μm band,the water vapor's IR signal can even be neglected compared with that of carbon dioxide.