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。     

矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响

为了研究矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响,首先通过喷管缩比模型的红外辐射特征试验,获得矢量偏转对喷管缩比模型红外辐射特征影响的试验数据及规律,并验证了红外辐射特征数值计算方法的计算精度。随后,采用经过验证的计算方法对全尺寸二元塞式矢量喷管在发动机地面工作状态下的流场特性与红外辐射特征进行了数值仿真,研究结果表明：当矢量偏转角由0°增加到20°,塞锥壁面温度分布基本不变,但喷管偏转压力侧壁面温度逐渐升高,最大增幅达到38.5%,喷管偏转吸力侧壁面温度逐渐下降,最大降低15.4%。塞锥是二元塞式矢量喷管最主要的红外辐射源,在尾向-20°~20°方向范围,塞锥的平均贡献不低于63.6%,最大高达91.0%。随着偏转角增加,喷管在水平探测面内的红外辐射强度逐渐减小,其中正尾向上的降幅最大,达到33.6%;在铅锤探测面内,辐射峰值方向朝矢量偏转方向偏移,但偏移角度小于矢量偏转角度。全尺寸模型仿真获得的矢量偏转对喷管红外辐射特征分布的影响规律与缩比模型试验的结论一致。     

塞锥后体气膜冷却对轴对称塞式喷管红外辐射和气动性能的影响

运用数值模拟方法,在主流质量流量为130 kg/s、总温为920 K和冷却空气总温为480 K的参数条件下,对比分析了塞锥后体气膜孔排布方式、气膜孔倾角(15°~30°)和气膜冷却空气用量(3%主流质量流量以内)对轴对称塞式喷管红外辐射和气动性能的影响。研究结果表明:塞锥后体的气膜冷却对喷管推力系数的影响十分微弱;对塞锥后体提供1%主流质量流量的冷却空气,喷管红外辐射强度相对无冷却喷管降低50%左右;当冷却空气用量增大至3%时,喷管红外辐射强度下降约60%,总压恢复系数降低较为显著;在相同的冷却空气用量下,小孔排间距的多孔排布方式与大孔排间距相比,具有近乎相同的红外辐射抑制效果和低的总压恢复系数下降幅度;气膜孔倾角从30°减小至15°,对塞锥后体表面温度的降低以及喷管总压恢复系数的改善效果微弱。     

二元塞式喷管红外特征及壁面降温的红外抑制效果计算

用数值计算的方法研究了涡扇发动机二元塞式喷管在3~5μm波段的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比.结果表明:无冷却措施时,相比于轴对称收扩喷管,二元塞式喷管在大部分探测角度上红外辐射增强,只在小部分的探测角度范围内具有红外抑制作用,在窄边探测面内探测角为90°方向上,其红外辐射强度降低了54%.若塞锥后部壁面温度降低300K,二元塞式喷管在大部分探测角度范围内的红外辐射强度明显低于轴对称喷管,在正尾向上的红外辐射强度降低了57%;与轴对称喷管中心锥表面降低相同温度相比,二元塞式喷管能取得更高的红外抑制效果,并且所付出的冷却代价较小.      

引气结构对二元塞式喷管冷却和红外辐射特性的影响

为降低加力状态下二元塞锥表面温度和喷管红外辐射强度，对塞锥进行冷却结构设计。采用数值模拟的方法对比分析了引气结构、冷却通道高度和冷气入口总压比对塞锥冷却和喷管红外辐射特性的影响。结果表明：塞锥冷却后其表面温度和喷管红外辐射强度显著降低；引气腔内无冲击板时，引气角度的改变引起射流核心区位置的变化，造成塞锥头部和前缘展向温度分布差异明显，引气角度为90°时塞锥表面最高温度要比30°和60°的模型高50K；加装冲击板后，冷却通道内的流量分配和塞锥前缘的展向温度分布得到有效改善、塞锥头部的换热得以增强，但同时会引起较大的总压损失，因此相同入口总压比下，加装冲击板后冷却流量降低、塞锥外表面温度升高；随着冷却通道高度增大，冷气流量增加、流速降低，故存在一个最佳通道高度使得塞锥冷却效果最好；以塞锥无冷却为基准，入口总压比为1.0～1.8时，塞锥外表面最高温度降低了470～590K,0°探测角上红外辐射强度降低了25%～33%。     

冷却结构塞式喷管红外特性抑制试验技术研究

利用涡扇发动机喷管红外辐射特征模拟试验台,对二元塞式喷管的红外辐射特征进行试验研究,得到塞锥冷却对二元塞式喷管红外辐射特性的影响规律,并与轴对称收扩喷管(基准喷管)进行了对比。试验结果表明:在探测角0°方向上,相比基准喷管,二元塞式喷管在不采取冷却措施时红外特征降低了12.1%,冷气流量为1.0%总流量时红外辐射强度降低了40.8%,冷气流量为2.8%总流量时红外辐射强度降低了51.2%。     

不同压比下塞锥三维传热分析

为了解塞式喷管发动机在不同压比下工作时的再生冷却换热特性, 对一试验用塞式喷管发动机建立三维计算模型, 采用数值模拟的方法, 得到了不同压比下再生冷却塞锥壁面以及内部截面的压强、热流密度和温度的分布曲线和云图.计算过程中采用一阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明塞式喷管发动机在较低压比的工况下工作时, 塞锥受热状况较为恶劣, 塞锥壁面出现压强和温度的峰值, 该截面内部的温度和温度梯度达到最大.      

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%。     

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%.      

部件冷却对二元俯仰矢量排气系统红外特征抑制实验

实验测试了采用中心锥气膜冷却和喷管冲击-气膜冷却的二元俯仰（2D-CD）矢量排气系统,在几何偏转0,10,20°三种角度下,壁面温度和红外辐射特征分布,并与未冷却状态进行了对比分析。结果表明:前密后疏的气膜孔排布形式可有效减小热侧面高温区域大小。中心锥冷却时,密流比为0.8条件下壁面冷却效率达45%~63%,排气系统尾向±10°范围内红外辐射强度下降20%;但是由于冷气流注入,导致下游壁面（隔热屏、喷管）温度升高,在30°探测方向上红外辐射强度上升15%。喷管冷却时,收敛段（密流比为0.25）冷却效率达19%~33%,扩张段（密流比为0.65）冷却效率达75.5%~83.5%,侧壁段（密流比为0.65）冷却效率达78%~90%,导致在排气系统尾向15°~75°范围内,红外辐射强度下降30%以上,最大降幅达80%（几何偏转20°,宽边探测面30°探测方向）。      

喷注壁面楔状流层流边界层速度与温度相似解

建立了壁面有喷注的楔状流层流边界层冷却数学模型,求解经相似变换得到的描述无量纲流函数和无量纲温度的常微分方程,获得了楔状流层流边界层无量纲速度和温度的相似解,给出了考虑壁面喷注边界条件的形式简洁、物理意义明确的无量纲流函数拟合式;用Runge-Kutta法求解无量纲速度与温度的常微分方程,获得了壁面有喷注的楔状流层流边界层无量纲速度和温度随楔形角、吹风参数、冷却介质温度的变化规律.通过计算0°,18°和36°楔形角的楔状流层流边界冷却速度与温度分布得到以下结论:楔状流速度边界层和温度边界层厚度都随楔形角的增大而变小,随着吹风参数的增大而增大;当冷却介质温度越低、吹风参数越小、楔形角越大时,靠近壁面处楔状流层流边界层内温度梯度越大.      

接力喷嘴不同径向高度和方位角对加力燃烧室 热射流点火性能的影响

为了研究不同热射流点火状态下的燃烧性能,针对采用波瓣混合器的某型航空发动机加力燃烧室,基于N-S方程建立了3维数值计算模型,得到了接力喷嘴径向高度和方位角对加力燃烧室流场、燃烧特性和流阻特性的影响规律。结果表明:随着径向高度增加,热射流火焰传播距离逐渐减小,传播到稳定器下游区域从内涵逐渐向外涵移动,且稳定器壁面高温分布区域逐渐减小;随着方位角增大,热射流火焰径向穿透深度逐渐增大,且稳定器壁面高温区域逐渐减小,在方位角α=0°和α=5°时稳定器壁温最高,为1450 K左右;在加力燃烧室出口截面上,径向高度和方位角对无量纲总压影响不大,整体小于0.005。     

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。     

扇形和圆形气膜冷却孔的流动和传热实验比较

首次对流向倾角α为60°、锥顶角γ分别为15°和30°的扇形气膜冷却喷孔射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究,并与相同实验条件下圆孔射流的情形进行了比较,结果发现了扇形孔优越的气膜冷却性能和其下游速度边界层等值线的3种基本形态。      

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

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。     

尾部二次喷流抑制喷管分离流动的数值研究

以某液体火箭喷管缩比模型为研究对象,分析了相应的流场形态和二次流喷嘴喷射角度、面积比及其工质总温等参数对喷管分离流动抑制效果的影响.结果表明:当采用二次流喷嘴时,喷管达到满流所需的入口总压下降了37.8%,随着喷嘴喷射角度由0°增至25°,喷管流动分离点位置向喉部推进约0.01m,抑制效果明显变差,而随着喷嘴工质总温由300K升至1500K,喷管流动分离点位置向出口推进约0.005m,抑制效果略有增强,喷嘴面积比在保证其不出现分离流动时对抑制效果没有影响,否则会使抑制效果变差.      

面向飞/发一体化设计的高温尾喷口流场分析

结合飞/发一体化设计理念,以提升红外隐身性能为目的,引入横向掺混技术进行尾喷管构型设计。应用计算流体力学(CFD)数值仿真方法,分别分析了圆形喷管和矩形喷管流场温度分布,并提取矩形喷管中心面,研究喷管带小孔壁板偏折角对尾流冷却效果的影响。研究结果表明:相对于入口热流温度,矩形喷口降温率约为30%,尾气流喷出后偏向两侧流动,高温核心区体积快速衰减;圆形喷口降温率约为10%,尾气流喷出后沿轴向一直保持圆柱形,高温核心区体积衰减缓慢。矩形喷口主动冷却效果明显高于圆形喷口,更有利于实现飞/发一体化的热管理及红外隐身。同时,中面带小孔壁板偏折角的大小与主动冷却效果也存在密切关系。