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.      

S弯二元喷管红外辐射特性实验

基于轴对称排气系统设计了一套S弯二元喷管的实验模型,在实验工况下测量了喷管实验件的部分流场参数和远场红外辐射特性,对S弯二元喷管的红外辐射特性进行了分析和研究,并与基准轴对称喷管的红外辐射实验结果进行了对比。结果表明:上方探测平面是S弯二元喷管的主要辐射方向,其最大辐射角度为15°,在该方向角上固体壁面辐射的贡献最大。下方和侧向探测平面各方向角的红外辐射强度明显小于上方探测平面,主要是由于S弯二元喷管遮挡了大部分的内部高温壁面。与基准轴对称喷管对比,S弯二元喷管有着明显的红外抑制作用,在尾部方向S弯二元喷管的积分辐射强度相比轴对称喷管降低了81%,最大辐射强度相比轴对称喷管降低了47%,燃气辐射降低50%。      

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.      

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。     

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟地面状态

采用数值模拟方法对涡扇发动机排气系统球面收敛二元矢量喷管的气动和红外辐射特性进行了研究,研究仅针对地面状态和俯仰偏转.结果表明:俯仰偏转角在小于20°范围内,俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱,气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等;由于气体的容积性热辐射特征,喷管俯仰偏转角的变化引起高温喷流红外辐射的方向性变化明显,喷管俯仰偏转时的热喷流在3~5μm波段红外辐射呈现一定幅度的增加;排气系统在3~5μm波段的红外辐射峰值随俯仰偏转角的增加而趋于减小,其出现位置小于俯仰偏转角;在大的俯仰偏转角下,排气系统在垂直探测平面上方的红外辐射较无矢量偏转情形有所降低,但在探测面下方却有明显的增强,导致另一个峰值的出现.      

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。     

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。     

涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统红外辐射特征的对比

用数值模拟的方法对比研究了涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件进行模拟,红外辐射特征采用根据反向蒙特卡洛法自主开发的软件进行计算,计算分析了两种排气系统在3~5μm波段红外辐射的空间分布以及喷管内不同固体部件在探测方向上的辐射贡献.在红外辐射特征计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射以及燃气组分二氧化碳、水和一氧化碳的吸收-发射等影响.结果表明:两种排气系统红外辐射的空间分布特性不同;混合排气喷管的积分辐射强度在方位角为0°~10°时大于分开排气喷管,在其他方位角范围内均小于分开排气喷管.      

二元引射喷管高空性能及对无人机红外抑制的数值研究

研究了长/短套管两种结构的二元引射喷管在高空飞行的无人机上的推力特性,以及对无人机3~5μm波段红外辐射特征分布的影响,同时还对比了高空和地面状态下二元引射喷管推力和红外辐射特征.排气系统和无人机的流场、温度场采用商用软件Fluent计算,红外辐射特征采用自主开发的软件（NUAA-IR）进行计算.结果表明:高空状态下二元引射喷管仍可以提高推力特性,但其效果略弱于地面状态;无人机采用二元引射喷管后在大部分探测方向上的红外抑制效果明显,最大降幅为90%;机尾探测方向上长/短套管两种结构的二元引射喷管的红外抑制规律与地面状态不同,短套管二元引射喷管的红外辐射强度大于长套管二元引射喷管,最大增幅为7%.      

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟高空状态

针对高空状态下球面收敛二元矢量喷管排气系统,通过数值模拟研究了喷管俯仰偏转角对排气系统气动和红外辐射特性的影响,并与地面状态进行了对比分析.在该研究参数范围内,研究结果表明:在俯仰偏转角为20°范围内,俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱,气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等,高空状态下,喷管的推力系数和总压恢复系数下降0.5%与1.1%;热喷流峰值红外辐射强度仅为地面状态的12%~24%,排气系统的总体红外辐射强度峰值与地面状态下的比值峰值在0.35~0.45之间;随着下俯仰偏转角的增加,排气系统红外辐射峰值呈现下降的趋势.      

双S弯喷管流动特性及红外辐射特性分析

基于分区控制技术,发展了型面易控的双S弯喷管型面设计方法,用CFD数值模拟技术,对双S弯喷管的流动特性进行了数值模拟.采用信息通道界面(MPI)并行算法编写了基于离散传递法的红外辐射特性计算程序,对双S弯喷管红外辐射特性进行了计算,并与具有相同进出口面积的轴对称收缩喷管的红外辐射特性进行了对比.研究表明:双S弯喷管宽边探测面红外辐射强度低于窄边探测面红外辐射强度,最大幅度为80%;与轴对称收缩喷管相比,双S弯喷管红外辐射强度明显降低,尤其在宽边探测面的30°~40°探测方向上,比轴对称收缩喷管的红外辐射强度低大约30%.      

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.      

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.      

二元俯仰矢量喷管排气系统红外特征模拟实验

实验研究了二元俯仰矢量喷管排气系统在几何偏转角0°,10°,20°三种状态下的壁面温度分布与红外辐射特征,并与基准轴对称喷管排气系统进行了对比分析。结果表明:二元俯仰矢量喷管排气系统的红外辐射特征相对基准轴对称喷管排气系统有明显下降,正尾向降幅约10%;随着几何偏转角的增加,隔热屏与收敛段的温度逐渐上升,偏转段压力侧壁面温度略有上升,吸力侧壁面温度略有下降,最大变化幅值30K;排气系统红外辐射强度随偏转角增大而增大,尾向15°~45°和-15°~-60°范围内增幅明显,最大增幅可达70%。      

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）。      

旋翼下洗和排气方向对直升机红外特征的影响

采用数值模拟方法,对旋翼下洗作用下的热喷流流动特征进行了研究,分析了旋翼下洗速度和排气喷口方向等因素对直升机红外辐射特征的影响.结果表明:热喷流在不同的排气方向下受到旋翼下洗的影响存在较大的差异,当喷口向上排气时,热喷流在旋翼下洗作用下的偏转能够形成对后机身表面的撞击,致使后机身温度升高;喷口向上排气旋翼下洗速度为10m/s时的固体红外辐射强于无旋翼下洗情形,对于喷口斜向上45°排气和侧向排气,随着旋翼下洗速度的增加,红外辐射强度均呈现逐渐降低的趋势;喷口排气方向对直升机红外辐射强度空间分布的影响十分显著,喷口斜向上排气时在顶向和侧向的红外辐射强度基本相当,而喷口向上或侧向排气,在某些探测方位存在局部很高的红外辐射强度.      

喷管超声段壁面冷却热态试验研究

在高温条件下，对三种轴对称收－扩喷管超声段壁面排气引射冷却方案（缝隙式气膜冷却、离散孔气膜冷却和冲击－气膜组合冷却）进行了试验研究。得到了不同冷却方案的壁面压力分布、壁面温度分布和红外辐射特性，以及冷却气流量对这些性能的影响。结果表明：采用排气引射冷却技术可以大幅度降低喷管的壁温和红外信号特征，其中缝隙式气膜冷却的应用前景最好，离散孔式气膜冷却值得深入研究，冲击－气膜组合冷却不适合作为喷管排气引射冷却的基本方案。