横向射流入射对喷管尾喷流红外辐射及掺混特征的影响研究

发布时间：2020-08-12 14:53

【摘要】：论文针对航空发动机尾喷流红外抑制技术,在尾喷口下游引入横向射流,从而强化尾喷流的掺混和红外抑制效果。针对横流入射方式,频率变化以及其与主流频率的匹配关系进行了数值分析与实验研究。首先从尾喷流核心区长度、高温区域面积、3~5μm波段红外辐射强度等方面对其宏观效果进行了比较分析,进一步利用大涡模拟算法,从横向射流穿透卷吸深度、拟序结构发展过程、雷诺剪切应力瞬态变化特征等角度分析了横向射流注入后对掺混特性的影响规律,初步揭示了横向射流在不同入射形式下对尾喷流流动掺混和红外辐射特征的影响机制,最后通过实验对不同条件下尾喷流速度场分布及横流入射后雷诺剪切应力的变化验证了本文数值模拟结果。研究结果表明:(1)与轴对称喷管相比,圆转矩喷管尾喷流速度衰减快,核心区长度、高温区面积以及在不同探测面的红外辐射强度均有减小;拟序结构发展和剪切层内雷诺剪切应力变化说明射流流场中涡旋发展耗散速度快、速度边界层脉动强、射流柱易失稳等因素是导致射流核心区长度减小,掺混增强的内在原因。(2)横向射流注入后,尾喷流核心区长度与高温区域面积有明显减小,红外抑制效果也进一步提高。横向射流强化掺混的机制是诱导出CVP结构(反向旋转涡对),其使得流场涡旋发展耗散速度加快,剪切应力峰值与带宽也随之增加,有效地增强了流场的能量耗散效率和射流剪切层的脉动特征;而CVP结构的作用效果与其穿透深度成正相关,卷吸穿透越深,剪切层脉动就越剧烈,强化掺混效果越好,且CVP结构的涡旋强度和穿透深度随横流入射动量比的增大而增加。(3)横向射流稳态入射结果表明,横流入射孔形状变化对强化掺混和红外抑制效果的影响很大,矩形孔强化效果最好,方孔其次,圆孔最弱,这是由于孔的几何形状的变化强化了涡旋的扩展范围和耗散速度。且横流孔排列方式的结果也说明,就轴对称喷管而言,横流垂直对称两股入射的掺混效果最好,其高温核心区长度、面积以及3~5μm波段红外辐射强度均最小,单股入射次之,而周向四股入射效果最差;圆转矩喷管模型的研究结果也表明,横向射流宽边入射时的强化掺混效果强于窄边入射,同样是垂直对称两股入射强于单股入射,周向四股入射的掺混效果较差。(4)横向射流脉动入射结果表明,在本文模拟范围St≤0.25,横流脉动入射的强化掺混效果好于稳态入射模型,且随横流脉动频率f的增加,掺混进一步增强;拟序结构说明横流脉动入射会强化射流柱的不稳定振荡模式,在射流柱出口近场会存在一个速度剪切层剧烈脉动的区域,这导致横流产生的CVP结构向内卷吸穿透的范围更大更深;在多股横流脉动入射时,其相位差的优化匹配有利于进一步强化掺混。(5)与横流稳态入射和横流单一脉动入射模型相比,横流与尾喷流耦合脉动入射时的强化掺混和红外抑制效果会进一步提高,这是由于耦合脉动入射使得核心区内的涡旋更丰富,结构更不规则,涡旋更易缠绕搭接,耗散率更高。(6)使用热线风速仪在几何、流动相似条件下开展试验,得到了轴对称喷管、二元喷管、轴对称单股入射喷管的尾喷流速度场、剪切应力分布情况,表明了上述数值模拟结果的可靠性,并对模拟中剪切应力分布揭示的掺混机理进行了验证。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231
【图文】：

第一章 绪论1.1 研究背景与意义在现代战争中，制空权的获取已成为赢得战争的一个关键因素，相应地各国对飞行器及航空发动机的要求也越来越高，如针对四代机提出的独有的 4S 性能（超音速巡航、超视距攻击、高机动以及高隐身），以及图 1.2 所示的高性能航空发动机涡轮前温度进一步升高。而根据上世纪 80 年代以来历次战争的有关数据显示，在被击落飞机中总数的 70%～80%是由红外制导导弹造成的[1-2]。在这种背景下，提高飞机的红外隐身效果是一种可以有效提高飞机作战效能及战场生存率的有力方式[3]。红外辐射特性研究结果表明[4]：固定翼飞行器的红外辐射源包括机体外表面、发动机腔体及尾喷流三个部分。当飞行 Ma 小于 1.5 时，外表面蒙皮温度较低，排气系统成为主要辐射源，尤其是现代航空发动机尾喷流温度很高，是 3～5μm 波段红外辐射的主要来源[5][6]，而目前使用的红外制导或者红外探测系统的探测器大多是以 3～5μm 波段为主要工作波段[7][8]。因此降低尾喷流温度，是改善发动机整体红外辐射特性及实现红外隐身的有效手段。

第一章 绪论1.1 研究背景与意义在现代战争中，制空权的获取已成为赢得战争的一个关键因素，相应地各国对飞行器及航空发动机的要求也越来越高，如针对四代机提出的独有的 4S 性能（超音速巡航、超视距攻击、高机动以及高隐身），以及图 1.2 所示的高性能航空发动机涡轮前温度进一步升高。而根据上世纪 80 年代以来历次战争的有关数据显示，在被击落飞机中总数的 70%～80%是由红外制导导弹造成的[1-2]。在这种背景下，提高飞机的红外隐身效果是一种可以有效提高飞机作战效能及战场生存率的有力方式[3]。红外辐射特性研究结果表明[4]：固定翼飞行器的红外辐射源包括机体外表面、发动机腔体及尾喷流三个部分。当飞行 Ma 小于 1.5 时，外表面蒙皮温度较低，排气系统成为主要辐射源，尤其是现代航空发动机尾喷流温度很高，是 3～5μm 波段红外辐射的主要来源[5][6]，而目前使用的红外制导或者红外探测系统的探测器大多是以 3～5μm 波段为主要工作波段[7][8]。因此降低尾喷流温度，是改善发动机整体红外辐射特性及实现红外隐身的有效手段。

由红外制导导弹造成的[1-2]。在这种背景下，提高飞机的红外隐身效果是一种可以有效提高飞机作战效能及战场生存率的有力方式[3]。红外辐射特性研究结果表明[4]：固定翼飞行器的红外辐射源包括机体外表面、发动机腔体及尾喷流三个部分。当飞行 Ma 小于 1.5 时，外表面蒙皮温度较低，排气系统成为主要辐射源，尤其是现代航空发动机尾喷流温度很高，是 3～5μm 波段红外辐射的主要来源[5][6]，而目前使用的红外制导或者红外探测系统的探测器大多是以 3～5μm 波段为主要工作波段[7][8]。因此降低尾喷流温度，是改善发动机整体红外辐射特性及实现红外隐身的有效手段。图 1.1 典型四代战机 F-22“猛禽” 图 1.2 不同型号发动机涡轮进口温度发展

【参考文献】

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本文编号：2790678