下遮挡二元喷口的气动和红外辐射特性的数值研究

论文摘要

航空发动机排气系统高温热部件和高温排气尾焰是飞行器后半球红外辐射的主要来源,圆转矩形非轴对称结构喷管相对于轴对称参考喷管能在较低性能损失的情况下有效降低热喷流及喷管的红外辐射信号。本文的研究内容是在圆转矩形二元喷管（宽高比为3.33）的出口处安装下遮挡板和三角形锯齿,通过基于CFD/IR（计算流体力学/红外辐射）综合数值模拟的方法来研究其气动特性以及遮挡板和锯齿对喷管壁面和尾焰的红外辐射强度的抑制效果。带下遮挡板结构的喷管改变了原来二元喷管流场的对称分布,相对于基准喷管,加装挡板二元喷管的总压恢复系数并未降低,随着双层遮挡板间距的增大,双层遮挡结构与单层遮挡结构相比,上遮挡板随着双层遮挡板间引射冷气流量的增加温度逐渐降低。通过在间距10mm双层遮挡结构的上遮挡板开缝,可以使夹层通道的引射系数从未开缝时的0.31%提高至0.63%,开缝并加舌片的冷却结构引射系数可以达到1.45%。加锯齿后的喷管结构普遍缩短了二元喷管的速度/温度核心区的长度,相对基准二元喷管的引射系数有一定程度的提高,但锯齿的堵塞引起推力系数有较为显著的降低。在本文所研究的锯齿结构中,4齿后倾角度较小的喷管相对引射系数最大,能够更好地缩短速度/温度核心区的长度。不同结构的遮挡板结构均对喷管的排气尾焰红外辐射在-90°0°方向上有着较好的抑制效果。双层遮挡结构可以有效减小铅垂面下方的红外辐射,但与此同时却增强了0°～90°方向的红外辐射。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。锯齿喷管中4齿后倾角较小的结构红外辐射抑制效果最佳。本文对二元喷口排气系统缩比模型进行了实验研究,通过测量不同喷口结构下的喷口下游温度、速度场分布,分析了单边遮挡加锯齿对二元喷流带来的影响;通过测量不同喷口结构下的喷流和排气系统内壁面的红外辐射强度,定量比较了单层、双层下遮挡对尾焰和排气系统红外辐射抑制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 二元喷管研究现状
• 1.2.2 突片结构的研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 数值计算方法
• 2.1 控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.3 辐射换热模型
• 2.4 红外辐射强度的计算方法
• 第三章 下遮挡二元喷管的气动和红外辐射特性
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 喷管模型
• 3.1.2 计算网格与边界条件
• 3.2 基准二元喷管喷口处的流场分布
• 3.3 加装遮挡板结构对喷管气动和红外辐射特性的影响
• 3.3.1 装有单层遮挡板的喷管气动特性研究
• 3.3.2 装有单层遮挡板的红外辐射特性研究
• 3.3.3 装有双层遮挡板的喷管气动特性研究
• 3.3.4 装有双层遮挡板的喷管红外辐射特性研究
• 3.3.5 计算结果的分析参数
• 3.4 引射\强迫注气对下遮挡二元喷管气动和红外辐射性能的影响
• 3.4.1 挡板间距10mm 时引射\强迫注气对喷管气动和红外辐射特性的影响
• 3.4.2 挡板间距25mm 时引射\强迫注气对喷管气动和红外辐射特性的影响
• 3.4.3 挡板间距30mm 时引射\强迫注气对喷管气动和红外辐射特性的影响
• 3.5 遮挡板开缝对双层下遮挡二元喷管气动和红外辐射特性的影响
• 3.6 上遮挡板发射率变化对喷管红外辐射特性的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 单边加锯齿二元喷管气动及红外辐射特性
• 4.1 物理模型及边界条件
• 4.2 锯齿状二元喷管的气动特性
• 4.2.1 锯齿及喷口附近的流场分析
• 4.2.2 喷口下游的流场分析
• 4.2.3 锯齿喷管的掺混特性
• 4.2.4 锯齿喷管的相对总压恢复系数
• 4.2.5 锯齿喷管的相对推力系数
• 4.3 锯齿状二元喷管的红外辐射特性
• 4.3.1 水平面不同锯齿状二元喷管红外辐射特性分布
• 4.3.2 铅垂面不同锯齿状二元喷管红外辐射特性分布
• 4.4 本章小结
• 第五章 下遮挡锯齿二元喷管缩比模型实验
• 5.1 实验系统设计
• 5.1.1 主流气路系统
• 5.1.2 二次流气路系统
• 5.1.3 实验测试系统
• 5.1.3.1 主、次流流量测量（给定）
• 5.1.3.2 气体温度测量
• 5.1.3.3 气体速度测量
• 5.1.3.4 壁面静压测量
• 5.1.3.5 红外辐射测量
• 5.2 二元喷管、下遮挡板结构和锯齿结构设计
• 5.2.1 二元喷管
• 5.2.2 锯齿和遮挡板
• 5.3 气动性能测量与分析
• 5.3.1 速度场测量及分析
• 5.3.1.1 速度场测量
• 5.3.1.2 速度场分析
• 5.3.2 温度场分析
• 5.3.2.1 二元喷管喷流温度场
• 5.3.2.2 加锯齿后二元喷管温度场分析
• 5.3.3 遮挡板温度场分析
• 5.3.4 红外辐射场分析
• 5.4 下遮挡锯齿二元喷管缩比模型实验的数值验证
• 5.4.1 物理模型及边界条件
• 5.4.2 下遮挡锯齿二元喷管数值计算的实验验证
• 5.4.2.1 壁面压力的实验验证
• 5.4.2.2 二元喷管出口速度和温度的实验验证
• 5.4.2.3 下遮挡二元喷管红外辐射强度实验验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果与发表的学术论文