涡扇发动机最小红外特征模式性能寻优控制研究

为抑制涡扇发动机排气系统的红外特征,提出一种基于红外预测模型的最小红外特征模式性能寻优控制。首先,建立一种排气系统正后向红外辐射强度简化预测模型,该预测方法考虑了排气系统内高温部件和尾喷流的红外辐射,以及尾喷流对高温部件红外辐射的吸收作用,具有可信的仿真精度;其次,基于涡扇发动机部件级实时仿真模型,增加了从外涵引气冷却中心锥和尾喷管扩张段内壁的冷却结构和红外预测模块;最后,基于该模型探索了最小红外特征模式的优化原理,并选用可行序列二次规划(FSQP)算法,通过控制高温壁面冷却气的流量,主燃烧室的燃油量以及尾喷管喉道面积,对两个亚声速巡航状态的工作点进行实时优化。仿真结果表明:在满足发动机推力恒定以及其他约束条件的前提下,发动机通过最小红外特征模式性能寻优控制,其排气系统后向红外辐射下降了30%以上,红外抑制效果显著。     

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%.      

降低表面温度和发射率抑制排气系统红外辐射的研究

为了降低涡扇发动机轴对称排气系统的红外辐射特征,研究了降低排气系统腔体表面温度和发射率抑制红外辐射的规律。首先通过模拟实验研究了对中心锥进行冷却和涂覆低发射率涂层的红外抑制效果;然后用实验数据对本文使用的红外辐射特征计算方法和程序进行了验证;最后通过数值计算研究了典型尺寸的涡扇发动机排气系统降温和发射率分布对红外辐射特征的影响规律。结果表明：降低中心锥等部件的温度和发射率可明显降低排气系统在α〈15°范围内的红外辐射强度;若中心锥的温度降低100K,中心锥、涡轮和径向稳定器等部件的表面发射率降至0.2,则排气系统尾向的红外辐射强度可降低40%以上,探测距离缩短20%左右。     

气膜孔排布对排气系统中心锥冷却和红外辐射特性的影响

运用计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)的数值模拟方法,以涡扇发动机排气系统为原型,对中心锥表面气膜冷却方案进行了数值研究,并揭示了中心锥冷却对红外辐射特征的作用效果.研究表明:气膜冷却中心锥可有效降低中心锥表面的温度,抑制排气系统在0°~15°范围内的红外辐射.在所研究的诸多方案中,与无冷却的涡扇排气系统相比,中心锥表面温度可以降低282K,0°方向上可降低总体红外辐射约57%.      

涡扇发动机收敛排气系统进口总温总压对喷流中心线温度分布影响

为了在涡扇发动机总体设计阶段,建立红外辐射特征预测模型,通过计算流体动力学方法研究涡扇发动机排气系统进口总温总压对其喷流无量纲温度分布规律的影响,得到适合涡扇发动机总体设计阶段使用的计算喷流中心线上温度分布的经验公式.结果表明:喷流中心线上相同无量纲温度对应的无量纲距离与涡扇发动机排气系统内外涵进口总压、外涵总温成正比与内涵总温成反比.总结出的涡扇发动机喷流中心线上温度分布的计算经验公式与数值计算结果吻合较好.      

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。     

中心锥冷却对喷管腔体红外辐射的抑制作用数值分析

航空发动机高温部件是发动机3~5μm上的重要红外辐射之一,对高温部件之一的中心锥的红外抑制技术进行了数值研究.在中心锥前端布置气膜缝槽,缝槽几何参数经过优化设计,将部分外涵低温气流经过支板引入中心锥,对支板和锥体壁面形成冲击冷却,在锥体前端形成气膜覆盖,使得支板与中心锥壁面得到了有效冷却,两者平均温度分别降低21.1%和46.2%,冷却气量约为外涵流量的1.6%.喷管腔体3~5μm波段上红外辐射得到有效抑制,喷管正后方红外辐射相比原型喷管降低30%,0°~45°范围内红外辐射则明显降低.      

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.      

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。     

航空发动机排气喷管红外辐射特征数值研究

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排气喷管的红外辐射特性,采用与成熟商用CFD软件相结合的策略,基于离散传递方法,自主开发航空发动机排气系统红外辐射特征数值计算软件。提出一种射线行程追踪方法,用来提高软件计算效率和模拟精度;最后用该软件对某型涡扇发动机排气系统收缩喷管及两种采用不同红外抑制措施的喷管进行数值模拟研究。结果表明：相对于传统的收缩喷管,二元喷管能够在绝大部分探测方向上有效降低喷管的红外辐射,引射喷管可在大角度探测方向上起到显著的红外隐身效果。     

截锥不同冷却结构对喷管腔体红外抑制特征影响的数值研究

对发动机喷管高温部件之一的截锥3~5μm波段上红外抑制特征进行了数值研究.在红外辐射信号较强的截锥前端布置气膜缝槽冷却结构和气膜孔冷却结构,将温度较低的外涵气流通过支板引入截锥,有效降低了截锥、支板的壁面温度和红外辐射强度.对两种冷却结构进行比较,结果表明,采用向下气膜缝槽冷却结构能够达到较好的红外抑制效果,但推力损失较大;采用气膜孔冷却结构,喷管红外抑制效果略有减弱,但推力损失较小.     

Numerical investigation of of nozzle cavities thermal radiation characteristics with center cone cooled

航空发动机高温部件是发动机3-5μm上的重要红外辐射之一,对高温部件之一的中心锥的红外抑制技术进行了数值研究．在中心锥前端布置气膜缝槽,缝槽几何参数经过优化设计,将部分外涵低温气流经过支板引入中心锥,对支板和锥体壁面形成冲击冷却,在锥体前端形成气膜覆盖,使得支板与中心锥壁面得到了有效冷却,两者平均温度分别降低21．1％和46．2％,冷却气量约为外涵流量的1．6％．喷管腔体3～5Izm波段上红外辐射得到有效抑制,喷管正后方红外辐射相比原型喷管降低30％,0°-45。范围内红外辐射则明显降低．     

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.      

加力隔热屏及中心锥冷却对二元收扩排气系统红外抑制效果数值分析

针对涡扇发动机二元收扩(2D C-D)排气系统,数值探究了加力隔热屏与中心锥气膜冷却对热部件温度的影响,并揭示了冷却措施对排气系统的红外抑制作用以及随之引起的推力系数变化。结果表明：对加力隔热屏开气膜孔可有效降低隔热屏温度,其峰值最大降低10.3%,且加力隔热屏结构、气膜孔倾角不同均会影响内外涵流量分配;加力隔热屏气膜冷却主要抑制30°～75°的红外辐射,辐射强度可降低8%～25%,但同时推力系数最高降低5.3×10^-3。对加力隔热屏与中心锥采取联合气膜冷却后,中心锥表面温度明显降低,0°～10°的红外抑制作用效果显著,辐射强度降幅最高达31.3%,随之引起的推力系数损失不超过3.0×10^-3。     

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%.      

冷却抑制二元收扩喷管红外特征的模型实验与数值研究

为研究二元收扩喷管排气系统的红外特征及其采取冷却措施后的红外抑制效果,设计了带有冷却结构的喷管实验模型,测量了3组实验状态下的喷管壁面温度和红外辐射强度分布,分析了喷管腔体内各部件的辐射贡献大小。研究结果表明:二元收扩喷管排气系统的积分辐射强度在0°方向上最大,并且随着角度的增大而减小;扩张板的壁面温度下降21.1%,侧壁的壁面温度下降26.6%,可使积分辐射强度降低11.5%~31.9%;在扩张段冷却的基础上,中心锥的壁面温度下降9%,可使积分辐射强度降低21.7%~38.9%。     

航空发动机排气系统红外辐射测量与数值计算比较研究

评估航空发动机红外隐身性能,需获取其排气系统的红外辐射强度。介绍了航空发动机排气系统红外辐射测量方法,通过试验验证得到了3~5mm的红外辐射特征。采用反向蒙特卡洛法对发动机排气系统的红外辐射特征进行数值计算,计算中将固体壁面的反射特性分别设为漫反射体和镜面反射体,并将计算值与试验值进行对比分析。结果表明:两者分布规律一致,但将壁面的反射特性作为镜面反射处理时,计算值与试验值的误差明显减小。     

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。     

外涵偏轴分开排气喷管的流场和声场数值计算

以某型涡扇发动机为原型,建立了1/10缩比的分开排气式涡扇发动机排气喷管物理模型,采用大涡模拟(LES)计算了不同外涵偏轴距离的排气喷管非稳态流场,利用FW-H(Ffows Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换得到了排气喷流噪声声压级空间分布特征.计算结果表明:外涵偏轴式分开排气喷管有抑制排气喷流噪声的作用.喷流噪声整体抑制效果与偏轴距离有关,在偏轴距离为0.15D时,排气喷管下方的噪声降低达到最大,且排气噪声峰值由原型的146.7dB降低到139.5dB,降低了7.2dB.研究的排气结构和数值计算方法可作为分开排气式涡扇发动机降噪设计的参考.      

与飞机融合的单边膨胀喷管排气系统气动和红外辐射特征数值计算

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。