复杂变截面S形喷管气动设计与红外辐射特性研究

基于曲率控制设计方法,以某涡喷发动机排气喷管为原型进行了S形喷管的设计;利用CFD软件对不同中心线形式,以及不同喷口形式的S形喷管几何参数对气动力影响进行了数值分析和优化选型。同时,还利用自主开发的软件对喷管在后半球空间内的红外辐射强度进行了数值模拟,研究了喷管出口形状对于喷管红外辐射强度的影响规律。结果表明:按红外抑制效果排列,较好的喷口形状依次是梯形、矩形、椭圆、圆形喷口,梯形喷口S形喷管可使红外辐射峰值缩减60%左右。     

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。      

航空发动机喷管隐身修形设计技术分析

介绍了国外航空发动机喷管隐身修形设计技术在轰炸机、战斗机及无人机上的应用,阐述了喷管隐身修形设计技术的基本原理及其在实现发动机红外隐身及雷达隐身方面的重要性。分析了喷管锯齿修形设计技术对飞机/发动机的气动特性、红外及雷达隐身的影响,着重分析了锯齿结构对高温气流核心区长度的影响,获得了飞机类型、作战目的、喷管类型等因素与喷管锯齿修形设计技术选取的关系,及2元喷管锯齿形结构与轴对称喷管锯齿形结构的设计原则。     

不同宽高比喷管气动/红外隐身性能综合分析

为了通过数值仿真方法探究不同宽高比对喷管性能的影响,利用通过数值仿真结果与试验的比对,验证数值方法的可靠性,利用该种数值仿真的手段对飞翼布局无人机的单边膨胀喷管后体气动性能及红外隐身性能进行了研究,分析了不同宽高比对其气动性能及红外隐身性能的影响。分析结果表明,由于喷管宽高比的增加,在保证二次流进口高度不变的情况下,随着二次流的流量增加,二次流增推效果也逐渐增加:随着喷管宽高比的增加,二次流冷却掺混增强,降低喷流温度及喷管下壁面温度能力越强,红外辐射强度越弱。     

矩形喷流的相似性及流场积分计算方法研究

矩形喷流的红外隐身效果明显地优于轴对称喷流,矩形喷管的壁板可调,推力矢量可调的特点也已引起广泛的注意。国外早期矩形喷流的研究多限于实验,近年来在数值计算方法上取得进展[1]。国内这方面的工作未充分开展。本文在总结现有各类实验数据的基础上,给出计算等压可压矩形喷流的积分计算方法。      

比较研究多种气膜冷却模型的冷却效果

计算并比较了高性能航空燃气发动机尾喷管扩张调节片采用以下几种气膜冷却结构的冷却效果 :缝槽气膜冷却、离散小孔气膜冷却、缝槽 /小孔复合气膜冷却 ,发展了用单排孔和缝槽气膜的有效温比计算多排孔和缝槽 /小孔复合气膜有效温比的公式 ,计算了考虑喷管内高温燃气辐射和气膜冷却作用下喷管壁面的温度分布 ,为高性能航空燃气发动机高温部件冷却结构的选型提供了有益的参考。     

二元塞式矢量喷管塞锥尾缘冷却及红外辐射抑制效果

运用数值模拟方法,在主流总温920K、冷却空气总温470K的参数条件下,对比分析了塞锥尾缘气膜孔开孔率(1%~4%)、冷却空气用量(4.3%主流质量流量以内)和矢量偏转角(0°~20°)对二元塞式喷管塞锥尾缘冷却和红外辐射的影响。结果表明塞锥尾缘气膜冷却可以有效降低表面温度和喷管红外辐射强度,开孔率为2%的气膜孔阵列的表面降温效果相对较优;冷却空气质量流量比超过2.85%时,塞锥表面温度降低幅度随冷却质量流量比的变化趋于减缓,当冷却空气质量流量比为2.85%时,水平探测面±30°探测角内红外辐射强度相对无冷却喷管下降50%左右,铅垂探测面上气膜冷却表面降温对红外辐射强度的抑制效果更为显著;矢量角对于壁面温度分布影响很小,但对红外辐射强度空间分布具有重要的影响。     

平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管数值研究

将异型出口设计与气动推力矢量喷管结合,提出了平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管(bypass dual throat nozzle,BDTN),并与基准矩形截面的BDTN进行流场结构及气动性能的对比研究。三维数值计算表明:平行四边形构型与矩形构型具有相同的气动性能变化规律;相较于基准矩形BDTN构型,由于壁面倾斜导致流场结构变化,平行四边形构型在矢量状态下的俯仰矢量角及推力系数有所降低,但对非矢量状态下的推力系数和流量系数影响不大;壁面倾角是性能变化的重要因素,相同落压比时壁面倾角越小,矢量角越小,壁面倾角不小于60°时喷管的稳定矢量角均可达10°以上,最大矢量角均可达15°以上;平行四边形出口增强了尾喷流与环境气流的掺混,出口射流中心线速度衰减大大加快,有利于提高红外隐身特性。     

加遮挡罩二元喷管红外辐射特性数值研究

采用计算流体动力学/红外辐射数值计算方法,针对涡扇发动机排气系统,研究了宽高比为3.33的圆转矩形二元喷管尾缘加装遮挡罩以及遮挡罩夹层通道注入冷却气流对红外辐射特性的影响.研究参数范围内的结果表明:遮挡罩内引射或强迫注气的冷却气流对喷流有进一步混合的作用,加装遮挡罩后喷流的红外辐射强度相对于单纯的二元喷管有一定幅度的降低;随着冷却气流流量的增大,二元喷管尾缘内壁面的温度降低效果越显著,有效地利用喷管的引射作用,可以取得良好的红外抑制效果;只有在喷管内壁面红外辐射占主导的探测范围内,加装遮挡罩抑制二元喷管红外辐射的作用才能得到体现.      

波反射激励效应抑制超声速射流红外辐射的试验研究

试验研究了波反射装置对高温超声速射流的激励效果并初步分析了其作用机理。主喷管的喉道直径为35mm,进口总压为27.44kPa,进口总温约800K,相应的喷管出口马赫数为1.33左右。结果表明,影响激励效果的主要参数有锥形反射器的扩张角、反射器母线长度和反射器与主喷管的相对位置,并有一个综合最佳值。在最佳结构参数下,激励后的射流轴心温度降低约120K,有望使超声速射流的红外辐射强度降低约40％～50％,红外隐身效果显著。     

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。     

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。     

塞锥气膜冷却对二元塞式喷管红外特征的影响

为了研究二元塞式喷管塞锥壁面多斜孔气膜冷却对喷管红外特征的影响,设计了带冷却结构的喷管试验模型,测量了吹风比从0增加到1时的塞锥壁面温度、喷管出口截面处喷流温度以及喷管红外辐射强度.结果表明：随着吹风比的增加,气膜冷却效率逐渐提高,最大达到0.68;喷管出口截面在中心区域喷流的温度逐渐降低,最大降幅为14%;喷管红外辐射强度逐渐降低,在0°方位角上最大降低52.8%,在90°方位角上最大降低13%.     

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.      

一种双S弯二元喷管的红外辐射特性数值研究

为了降低轴对称排气系统的红外辐射,设计了一种非常规双S弯二元喷管.在CFD计算得到排气系统温度、压力和组分质量分数的基础上,采用反向蒙特卡洛法计算了基准轴对称喷管和双S弯二元喷管的红外辐射特征,并与二元喷管的结果进行了对比.结果表明:双S弯二元喷管能够对排气系统内部的高温部件进行有效遮挡,其强三维流动效应加强了内外涵冷热气流的掺混,在二元喷管的基础上进一步降低了排气系统的红外辐射;随着偏距 S 的增大,红外抑制效果增加,与轴对称喷管相比在推力损失不大于3%的前提下能够平均降低70%以上的红外辐射.      

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

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.