椭圆截面喷管排气辐射热流数值分析

文中对直升机红外抑制器椭圆截面喷管排气的辐射热流进行数值分析,并预估排气温度分布、速度和燃气成分分布对辐射热流的影响。为了计算辐射热流和考虑尾焰对周围环境的传热,采用形式简单并可用通用方程计算程序计算的六热流辐射模型。由于排气流场内温度和密度变化较大,故紊流模型采用考虑密度变化的修正双方程k-ε模型。本文中所用的比热C_(pm)是随气流温度和成分而变化,温度用迭代法求得。喷管出口截面为椭圆形,排气为三元自由射流,控制方程为三元抛物形偏微分方程,可采用前进积分求解,这样既可满足计算精度要求,又可节省机时。并根据三元喷流周向边界条件周期性变化的特点,采用CTDMA解法。计算结果与试验结果基本一致,说明本计算方法是可行的。     

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。     

轴对称分开排气喷管改混合排气喷管设计方法

为将涡扇发动机轴对称分开排气喷管改型设计为混合排气喷管以获取混合推力增益且改变其红外辐射(IR)特征,提出了一套基于CFD数值计算评估的轴对称分开排气喷管改型设计方法。研究结果包括:①提出了内、外涵气流不同程度掺混时推力的估算方法,估算值与真实值的误差在所研究参数范围内不超过0.005;②分析了内、外涵气流掺混对改型设计的影响,喷管外涵气流与内涵气流的总压比在0.8~1.5之间且掺混度大于0.1时混合排气最有可能产生推力增益,且掺混越好,增益越高;③轴对称分开排气喷管改型设计为带环形混合器的混合排气喷管后,推力系数增加0.0087~0.0126,而采用波瓣混合器时喷管的推力系数则增加0.0289;④相比于分开排气,混合排气喷管在0°~15°方向上的红外辐射强度有所增加,但在其他所有方位角上均大幅下降,最大降幅为77.5%。      

发动机高速排气系统红外辐射特性的数值计算和分析

本文以排气系统三维流场数值计算为基础,采用了封闭腔理论算法及波带透过率计算模型,通过求解耗散-发射性介质中的辐射传输方程的方法,对发动机高速排气系统的热空腔辐射、喷气流辐射及热空腔-喷气流组合辐射进行了数值计算,并将计算结果与发动机实测结果进行了分析比较。研究结果表明,红外辐射的计算值与实测值相比,误差不大于30%,且其空间分布基本一致。所开发的计算方法与程序可用于排气系统红外辐射特性的数值计算与分析,基本满足工程设计的需要。     

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.      

大宽高比弯曲混合喷管排气红外和射流噪声抑制

针对大宽高比弯曲混合喷管排气红外和射流噪声抑制的需求,在狭长矩形喷口的基础上对混合喷管喷口结构进行重新设计,包括不同尺寸参数的波瓣喷口和不同侵入程度的冠状锯齿喷口。针对上述喷管,采用数值模拟的方法,获得大宽高比弯曲混合喷管的射流流场,并通过正反射线追踪法和Fluent软件FW-H声学模块分别计算了混合喷管的排气红外辐射强度和射流噪声总声压级。对研究结果进行分析,揭示了狭长矩形喷口、波瓣喷口和冠状锯齿喷口对混合喷管的引射性能、压力损失以及排气红外和噪声特性的影响机制,阐释了喷口激励的流向涡在射流与环境气流掺混过程中的强化主导作用及其抑制排气红外辐射和噪声的兼容性。     

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%。      

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。     

小偏距S弯二元喷管的红外辐射特性数值分析

为了降低飞行器的红外辐射,适应发动机排气系统与飞机后机身的匹配,设计了一种非常规的S弯二元喷管,喷管出口中心线与发动机轴线不共线,有一个小偏距.在商业软件中计算该S弯二元喷管的温度场、速度场、压力场和组分浓度的分布,采用自主开发的红外软件,用反向蒙特卡罗法计算该喷管的红外辐射特性,并与基准轴对称喷管的计算结果进行对比,计算结果表明:采用小偏距S弯二元喷管后,能够对排气系统内部高温部件有一定的遮挡,对红外辐射特征有一定的抑制作用,最大能够降低33%的红外辐射.      

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.      

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。     

直升机排气系统用波瓣喷管引射-混合式红外抑制器研究

 在针对直升机排气系统用波瓣喷管引射-混合式红外抑制器开展的一系列数值计算和模型实验研究基础上,本文对其内流气动特性和红外辐射特性进行较为系统的综合总结。揭示并分析了这种形式的红外抑制器内部混合流动特征,引射混合和隔热遮挡的红外抑制作用效果,以及红外抑制器缩比模型红外辐射模化关系;同时也指出了需进一步研究的一些问题。     

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。     

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%。      

活塞式发动机排气喷管断裂故障分析

对某型无人机活塞式发动机发生断裂故障的排气喷管进行了现场检查、断口分析及静力学分析,表明焊接质量不合格是导致故障发生的主要原因;提出了增加焊接点数、加大熔核尺寸、加强无损检测等排故措施。     

几何参数对S弯喷管红外辐射特性的影响

为了深入理解和掌握S弯喷管的红外辐射特性,采用数值模拟的方法着重研究了轴向长度比和中心线变化规律这两个几何参数对S弯喷管红外辐射特性的影响。结果表明,S弯喷管在水平探测面上的燃气红外辐射强度比垂直探测面上的低61.1%。同时,在垂直探测面上,下方的壁面红外辐射强度高于上方的。轴向长度比和中心线不同的S弯喷管,总红外辐射强度的变化在2.2%~6.3%。虽然S弯喷管轴向长度比和中心线变化规律对喷管性能有显著的影响,但其对红外辐射特性的影响较小。因此,仅从红外辐射的角度,在S弯喷管的设计过程中轴向长度比和中心线变化规律可不作为主要考虑因素。     

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.      

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。     

遮挡板结构对二元喷管红外辐射特性的影响

在宽高比3.33的圆转矩形二元喷管的出口处安装下遮挡板,通过基于计算流体动力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法来研究遮挡板结构对喷管壁面和尾焰的红外辐射强度的抑制效果.研究表明带狭缝气膜冷却的双层遮挡板对排气系统的红外辐射具有更为显著的抑制效果.     

横向射流对排气系统红外辐射影响的实验研究

为了研究横向射流注入后飞机发动机排气系统红外辐射的变化情况,设计了不同横向射流注入方案。实验探测了在喷口处注入横向射流后,排气系统在水平探测面上,3~5μm波段内的红外辐射强度。分析了排气系统的光谱辐射强度和积分辐射强度的变化情况,并结合速度分布图及红外热像图给出了解释。由于射流能够挤压尾喷流,提高主流剪切层脉动强度,强化其与冷气流的掺混,不同方案横向射流的注入,均能引起排气系统红外辐射强度的降低;在同一个探测面上,探测器能探测的红外辐射强度因不同射流方案对尾喷流的挤压方向不同而有较大差异,探测到的红外辐射由强到弱的方案依次:垂直注入、周向四股注入和水平注入;对尾喷流而言,相比于无横向射流注入状态,采用横向射流双股、单股垂直注入时,其红外辐射强度分别下降了60%,45%;横向射流双股、单股水平注入时,分别下降了5.1%,5.3%;采用周向四股注入时,下降了24.7%。