微射流強化混合對噴流紅外輻射特性的影響

朱希娟 額日其太 李家軍 王 強

(北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,北京 100191)

微射流強化混合對噴流紅外輻射特性的影響

朱希娟 額日其太 李家軍 王 強

(北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,北京 100191)

計算了微射流強化混合噴流在 3～5μm波段的紅外輻射特性,并與無微射流強化混合的噴流紅外輻射特性進行了比較,分析了微射流強化混合對噴流紅外輻射特性的影響.噴流的流場及溫度場結(jié)果采用有限體積法求解 N-S方程得到,采用 Tam-Thies湍流模型模擬噴流.紅外輻射特性的計算采用有限體積法求解吸收-發(fā)射性介質(zhì)條件下的三維輻射傳輸方程得到.計算結(jié)果表明,在中等亞音速條件下,微射流可以達到較好的強化混合效果,射流流量占主流流量 1%時,噴流的紅外輻射強度比基準(zhǔn)噴流的紅外輻射強度降低 15%左右,射流流量達到主流流量的 3%時,噴流的紅外輻射強度可以降低 27%左右.

微射流;強化混合;紅外輻射;有限體積法

排氣系統(tǒng)尾噴流是飛行器 3～5μm主要輻射源之一,由于噴流長度較長,紅外探測系統(tǒng)在尾向、側(cè)向等很大范圍內(nèi)都可以探測和追蹤,所以降低尾噴流的紅外輻射是非常必要的.尾噴流的紅外輻射主要決定于高溫核心區(qū)的溫度、核心區(qū)的尺度、尾噴流的組分等.降低尾噴流紅外輻射的途徑包括增大涵道比、氣溶膠屏蔽和強化混合等,其中最主要的途徑是強化混合.強化混合可以大幅度減小尾噴流高溫核心區(qū)的尺度、迅速降低尾噴流的溫度、減少參與性介質(zhì)的濃度,從而降低尾噴流的紅外輻射.強化混合包括被動流動控制技術(shù)和主動流動控制技術(shù),被動流動控制主要采用二元噴管、波瓣噴管、小突片、噴管尾緣修形等方式強化混合,主動流動控制是利用很小的激勵信號,控制噴流的流動,強化噴流與外流的混合.主動流動控制技術(shù)是 20世紀(jì) 90年代以來強化混合的新途徑,其控制靈活性高,比被動控制更具優(yōu)勢.在現(xiàn)有的主動控制技術(shù)中,微射流技術(shù)是比較適合尾噴流強化混合的主動流動控制技術(shù)之一,微射流技術(shù)是在噴管出口附近安裝微射流注氣縫,在微射流的作用下,在高速噴流的流場中產(chǎn)生流向渦系,卷吸環(huán)境空氣,強化混合尾噴流與環(huán)境氣流,從而改變了噴流流動的發(fā)展[1-4].

微射流強化混合可以使噴流溫度核心區(qū)有明顯衰減,CO2和 H2O等吸收-發(fā)射性氣體的濃度有所降低.為了研究該方法對噴流紅外輻射特性的影響,本文采用有限體積法[5-7]求解輻射傳輸方程,計算了基準(zhǔn)狀態(tài)噴流與微射流強化混合噴流的紅外輻射強度,并對結(jié)果進行了對比分析.

1 數(shù)值模擬方法

1.1 流場的計算方法

在數(shù)值模擬中使用有限體積法求解定常可壓縮流 N-S方程,Tam-Thies湍流模型(標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型的修正)模擬噴流.采用 H型網(wǎng)格與 O型網(wǎng)格結(jié)合的分區(qū)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,如圖 1所示,噴流徑向靠近中心處采用的 H型網(wǎng)格,其余采用的是 O型網(wǎng)格.由于流場對稱,采用對稱邊界條件,選取1/4作為計算域,計算域徑向邊界距噴管中心線為 10倍噴管出口直徑,下游邊界距噴管出口平面大于 30倍噴管出口直徑.

圖 1 計算網(wǎng)格示意圖

1.2 紅外輻射強度的計算方法

噴流的溫度場以及參與性介質(zhì)的濃度場由上述方法求出,由于輻射計算時不需要過于細(xì)密的網(wǎng)格,將計算得到的四分之一流場結(jié)果通過插值方法賦值給輻射計算的粗網(wǎng)格,通過噴流的對稱性將整個噴流的網(wǎng)格、溫度、濃度構(gòu)建出來,在此基礎(chǔ)上計算噴流紅外輻射特性,吸收-發(fā)射性介質(zhì)的輻射傳輸方程為

式中,上標(biāo) m表示第 m個立體角;下標(biāo) η表示第η個波數(shù)段;等式左側(cè)表示沿 rm方向的單色輻射亮度在 ds路徑上的變化率;kη(s)表示位置 s處的單色吸收系數(shù);Jη(s)為源函數(shù),表示位置 s處的氣體發(fā)射的單色輻亮度;(s)表示位置 s處氣體吸收的單色輻亮度.

圖 2給出了空間離散下某一個控制體的示意圖,其中圖 2a為 H型網(wǎng)格的控制體示意圖,圖 2b為 O型網(wǎng)格的控制體示意圖.其中 P表示控制體中心節(jié)點,e,w,s,n,t,b分別代表控制體東、西、南、北、上、下各表面,相應(yīng)的大寫字母表示在該方向上與 P控制體相鄰的各控制體中心節(jié)點.

圖 2 空間離散方式

圖 3為立體角的離散方式,θ為天頂角,φ為方位角,天頂角與立體角為均勻離散.

圖 3 立體角離散方式

吸收發(fā)射性介質(zhì)主要考慮 CO2和 H2O,通過HITEMP數(shù)據(jù)庫結(jié)合 Young數(shù)值平均法計算得到其光譜吸收系數(shù)在不同溫度不同波段下的數(shù)據(jù)庫[8-10].有限體積法離散輻射傳輸方程如下:

其中

式中,Aj為控制體第 j個外表面的面積;為方向權(quán)值;κη,p為控制體內(nèi)的光譜吸收系數(shù);Vp為控制體體積;ωm為第 m個立體角;Bη,Tp為控制體在溫度 Tp下 Δη譜帶內(nèi)的黑體輻射能占總輻射能的份額;σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù).最后采用CGSTAB方法[11]求解離散方程組.

2 計算驗證與結(jié)果分析

2.1 流場計算的驗證

模擬對象由一個出口直徑為60mm的軸對稱收斂噴管和分布在噴管出口兩側(cè)的兩個矩形注氣縫組成(見圖 4)[12],注氣縫相對提供微射流,沖擊噴管出口噴流.

圖 4 實驗?zāi)Ｐ?/p>

噴管進口總溫為 600 K,遠(yuǎn)場壓力為101325Pa,遠(yuǎn)場溫度為 293 K,主流流量 mmain為1.413 8 kg/s,射流流量 mmicrojet占主流流量的0.66%為 0.009 331kg/s.如圖 5所示,本文采用的數(shù)值方法得到的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)[12]符合良好.

圖 5 中心線無量綱總溫

2.2 輻射特性計算的驗證

噴流紅外輻射特性與噴管空腔-噴流組合紅外輻射特性的計算都主要是求解離散輻射傳輸方程,只是后者多了固壁邊界的計算.通常試驗容易測得的是噴管空腔-噴流組合紅外輻射強度,在垂直于噴流處探測得到的結(jié)果為噴流的紅外輻射強度.所以驗證噴管的組合紅外輻射強度就說明程序計算噴流紅外輻射結(jié)果的可靠性.

本文計算了一個軸對稱收斂噴管在 3～5μm的空腔-噴流組合紅外輻射強度,出口直徑為72mm,馬赫數(shù) Ma=0.15,入口總溫為 810K,入口總壓為 11000.0Pa,環(huán)境壓力為 101 325Pa,溫度為300K.

噴管出口平面為 xOy平面,z軸為噴管軸向,天頂角 0°為正后方,紅外探測器在 yOz平面進行探測,探測角為天頂角如圖 3所示,探測距離為5m.圖 6給出了計算結(jié)果與實驗值的比較.如圖所示,計算值與實驗數(shù)據(jù)吻合得良好.

圖 6 紅外輻射強度分布

2.3 計算結(jié)果與分析

計算了一個軸對稱收斂噴管在 3～5μm波段的噴流紅外輻射特性,噴管的出口直徑為 65mm,6個射流縫均勻分布在噴管出口,射流縫為3mm×0.5mm,圖 7給出了噴管及 6個射流縫的分布示意圖和網(wǎng)格分布示意圖.

圖 7 噴管及射流縫示意圖和網(wǎng)格分布

計算條件為:馬赫數(shù) Ma=0.6,噴管進口總溫為 725 K,遠(yuǎn)場壓力和微射流出口壓力為101325Pa,遠(yuǎn)場溫度和微射流溫度為 300K.主流流量 mmain為 0.5416kg/s,射流流量 mmicrojet分別占主流流量的 1%,2%,3%.

圖 8給出了距離噴管出口平面(xOy平面)0,1d,2d,4d 4個位置處的無量綱溫度截面分布圖.第 1行為射流流量占主流流量 1%微射流激勵后的溫度分布,第 2行為基準(zhǔn)噴流的溫度分布.由圖8可知,在接近噴口位置,有微射流激勵的噴流核心區(qū)截面比在同一位置的無激勵噴流的核心區(qū)截面減小,射流縫所處的方位上其縮小程度更大;距離噴口較遠(yuǎn)的位置,核心區(qū)也明顯減小,但各方位的縮小程度差別變小.

圖 8 噴管出口平面下游各截面無量綱溫度分布圖(從左至右依次為 z=0,1d,2d,4d)

微射流激勵縫對稱分布,噴流流場也呈對稱分布,由圖 3和圖 8可知,方位角 φ=90°處為兩射流縫中間位置,方位角 φ=120°處為射流縫位置,所以在研究噴流紅外輻射特性時只分析方位角 90°～120°的輻射強度分布即可.圖 9給出了天頂角 90°,方位角 90°～120°之間的基準(zhǔn)噴流紅外輻射強度與不同射流流量下的噴流紅外輻射強度分布,如圖 9所示,隨著射流流量的增加,各個方位角的噴流的輻射強度都有所減少.

圖 9 基準(zhǔn)噴流與激勵后噴流各方位紅外輻射強度分布

圖 10給出了隨著射流流量的增加,各方位角上噴流輻射強度的減少幅度.射流流量占主流流量 1%時,噴流的紅外輻射強度與基準(zhǔn)狀態(tài)相比降低了 15%左右,射流流量占主流流量 3%時,噴流的紅外輻射強度降低 27%左右.90°方位減少幅度比 120°方位減少幅度小.

圖 11給出了方位角、天頂角分別為 φ=90°,θ=90°方向的無量綱噴流紅外輻射強度隨不同射流流量的變化規(guī)律,其中 mmicrojet/mmin為射流流量與主流流量之比,I/I0為不同射流流量下的噴流紅外輻射強度與基準(zhǔn)噴流紅外輻射強度之比,由圖 11可知,隨著微射流流量的增加,噴流的紅外輻射強度單調(diào)遞減,逐漸趨于平緩,即衰減斜率逐漸減小.1%流量的收益率(輻射強度衰減程度/射流流量增加程度)最高,流量再增加,其收益率逐漸降低.

圖 10 不同射流流量下的各方位輻射強度減少幅度

圖 11 不同射流流量下某方向無量綱噴流紅外輻射強度

3 結(jié) 論

綜上所述,在馬赫數(shù)為 0.6的中等亞音速條件下,少量的微射流流量(小于主流流量 3%)就可以達到較好的強化混合效果.射流流量占主流流量 1%時,天頂角為 90°時,各方位角上噴流的紅外輻射強度與基準(zhǔn)噴流相比可以減少 15%左右,射流流量達到主流流量的 3%時,其紅外輻射強度可以降低 27%左右.雖然隨著微射流流量的增加,噴流的紅外輻射強度單調(diào)遞減,但其衰減斜率是逐漸減小的.

致 謝感謝額日其太老師和王強老師的悉心指導(dǎo)和大力支持,在課題遇到困難、止步不前時,給予我啟迪;感謝李家軍、蘇沛然、李喜喜等同學(xué)無私的幫助和建議.

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(編 輯 :張 嶸)

Effect of micro-jets mixing enhancement on infrared radiation of plum e

Zhu Xijuan Eriqitai Li Jiajun Wangqiang

(School of Jet Propulsion,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The infrared radiation in 3～5μm band of the unforced plume and the forced plume which is mixed by injecting micro-jets into subsonic shear layer were calcu lated by a three-dimensional in frared(IR)radiation code of the plume,it was developed by the finite volume method(FVM)in non-gray absorbing-emitting media.The 3-D flow field of the jet was simulated numerically by FVM,Tam-Thies turbulence model.The results show that small injection flow rates(less than 3%)can make sharp increases in both velocity and temperature decay rates at middle Mach number.Compared with the unforced plume,when the jetmass flow accounts for 1%of the main flow,the IR radiation intensity of the forced plume is reduced by about 15%;and when the jet mass flow occupy 3%,the IR radiation intensity of the forced plume is decreased by about27%.

micro-jets;mixing enhancement;infrared radiation;finite volume method

V 231.1

A

1001-5965(2011)04-0483-04

2010-06-22

朱希娟(1981-),女,山東聊城人,博士生,zxj811129@163.com.