塞錐形狀和偏轉(zhuǎn)角對軸對稱塞式噴管紅外特性的影響

王 旭，張靖周，單 勇

(1.江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京 210016;2.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016)

在20世紀，國外針對軸對稱塞式噴管進行了系列的實驗研究［1－6］，尤其是在20世紀60年代和90年代出現(xiàn)了兩次研究的熱潮，成果斐然。這些研究驗證了塞式噴管的流動傳熱特征和氣動性能。與傳統(tǒng)噴管相比，軸對稱塞式噴管有較高的比沖和高補償性，質(zhì)量小，可靠性高，紅外抑制性能好，但較高的流動損失卻限制了其廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展和對發(fā)動機性能要求的提高，到了21世紀，因其具有紅外輻射強度低、較好的矢量控制性能和較低的排氣噪聲等特點，塞式噴管又一次引起國內(nèi)外的關(guān)注［7－10］。

Hiley等［11］研究結(jié)果表明:雙喉道塞式噴管在1.8～2.7 μm波段的紅外輻射相對軸對稱噴管降低90%。Millerd等［12］研究了二元塞式噴管的氣動性能及紅外抑制效果。陳俊等［13］研究了二元塞式噴管的紅外特性。王長輝等［14］計算了在不同外流條件下的塞式噴管氣動性能。鄭孟偉等［15］對塞式噴管進行了數(shù)值模擬，并研究了塞式噴管的設(shè)計參數(shù)。但是，對于軸對稱矢量噴管的紅外特性的研究還不多見。本文對小涵道比渦扇發(fā)動機塞式矢量噴管的矢量偏轉(zhuǎn)和塞錐長度對紅外性能的影響進行了數(shù)值研究。

1 模型介紹

1.1 計算模型

本文研究的排氣系統(tǒng)根據(jù)渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模，如圖1所示。排氣系統(tǒng)包括外涵、內(nèi)涵、合流環(huán)、渦輪后支板、火焰穩(wěn)定器、加力燃燒室、塞錐支板、塞錐、尾噴管等。內(nèi)外涵氣體在合流環(huán)下游自由剪切混合，混合氣體經(jīng)過火焰穩(wěn)定器、球面段和塞錐排出。當噴管矢量偏轉(zhuǎn)時，球面段后面所有結(jié)構(gòu)整體以球面段的球心為中心偏轉(zhuǎn)。本文研究的偏轉(zhuǎn)角度分別取 0°，5°，10°，15°和20°5種情況。

尾錐伸出噴口的長度為L。本文將對4種長度的尾錐模型進行數(shù)值模擬。這4種噴管使尾錐伸出噴口的長度分別為568，710，852和994 mm，如圖2所示。

圖1 塞錐偏轉(zhuǎn)10°時的渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)示意圖

圖2 塞式噴管尾錐示意圖

火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他部分均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對塞錐處的網(wǎng)格局部加密網(wǎng)格。采用200萬、400萬和800萬的網(wǎng)格量進行網(wǎng)格獨立性計算，計算結(jié)果差別很小，不超過4%。采用網(wǎng)格量為400萬的計算模型。使用Fluent軟件對模型的流場進行計算。

計算高空(1100 m高度，來流馬赫數(shù)為0.85，本文用11H0.85M表示)和低空(0 m高度，來流馬赫數(shù)為0，本文用0H0M表示)2種情況。高空采用的邊界條件如下:進口邊界為質(zhì)量流量入口，內(nèi)涵入口的質(zhì)量流量為29 kg/s，總溫為850 K;外涵入口的質(zhì)量流量為10 kg/s，總溫為367 K。地面采用的邊界條件如下:進口邊界為質(zhì)量流量入口，內(nèi)涵入口的質(zhì)量流量為100 kg/s，總溫為1140 K;外涵入口的質(zhì)量流量為30 kg/s，總溫為470 K。兩種情況均假定進口參數(shù)均勻分布。由于噴管出口處的壓力并不是外界大氣壓力，且出口截面流動并未充分發(fā)展，所以在尾噴口出口外選取一個足夠大的區(qū)域作為外場(軸向約為尾噴口直徑的30倍，周向約為10倍)，其邊界壓力取為外界大氣壓力，其他變量按流向偏導(dǎo)數(shù)為零處理。固體壁面采用無滑移固壁邊界條件。排氣系統(tǒng)內(nèi)部各部件設(shè)定為流－固耦合面，所有壁面發(fā)射率均設(shè)為0.7。在計算時加入了組分輸運模型以確定排氣系統(tǒng)的氣體組分分布。假設(shè)噴管內(nèi)涵入口氣體為完全燃燒的燃氣，成分主要是氮氣、二氧化碳和水蒸氣，質(zhì)量分數(shù)分別為 0.70604，0.20862，0.08534;外涵入口氣體為空氣，成分主要為氧氣和氮氣，質(zhì)量分數(shù)分別為0.233和0.767。對于流場計算，本文采用標準紊流模型，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)。

流動與傳熱的控制方程采用二階迎風(fēng)差分格式離散，壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法，收斂精度為 10－6。

1.2 紅外輻射計算方法

對于紅外輻射特性的計算，本文采用根據(jù)逆向蒙特卡羅算法和窄譜帶模型法［16］所編制的程序。其主要思想是從探測點發(fā)出光線并在一定空間立體角內(nèi)離散，沿著光線與尾噴焰相交的方向，光線會一直傳遞下去，直到遇到噴管壁面或離開尾噴焰，如圖3所示。

圖3 探測光線示意圖

從光線到達目標的最后一個交點開始，在能量反向到達探測點的過程中，需要求解能量輻射輸運方程。

在紅外輻射特性計算時探測點以發(fā)動機球面段的中心點為圓點，以噴管主軸為中心線，觀測點到噴管入口原點的距離為100 m，觀測點和原點的連線與噴管主軸中心線的夾角從90°變化到 －90°。所有壁面發(fā)射率均取0.7，不考慮大氣吸收。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 矢量偏轉(zhuǎn)對紅外特性的影響

發(fā)動機噴管的紅外輻射主要組成部分是高溫壁面的固體輻射。尾向所能探測到的高溫部件面積越大溫度越高，發(fā)動機紅外輻射強度越大。圖4是在0H0M情況下無偏轉(zhuǎn)時內(nèi)部高溫部件的溫度。圖5是在0H0M情況下無偏轉(zhuǎn)時從噴流方向反向觀測到的噴管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度。

圖4 在0H0M情況下無偏轉(zhuǎn)時內(nèi)部高溫部件的溫度分布

圖5 在0H0M情況下無偏轉(zhuǎn)時從噴流方向反向觀測到的噴管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度

由圖4、5可知:由于發(fā)動機內(nèi)部中心錐，火焰穩(wěn)定器等高溫部件都被塞錐遮擋，從尾向很難探測到高溫部件，主要探測的是塞錐尾部和套筒，所以塞式發(fā)動機內(nèi)腔紅外輻射強度主要受塞錐影響。塞錐尾部中心處有很大面積的低溫區(qū)，紅外輻射強度不高。

圖6 是偏轉(zhuǎn)角分別為 0°，5°，10°，15°和 20°在0H0M情況下發(fā)動機內(nèi)腔的紅外輻射強度。

由圖6(a)可知:在無偏轉(zhuǎn)的情況下，由于塞錐的遮擋，0°方向的紅外輻射強度較低，在5°會出現(xiàn)最大的紅外輻射值。隨著探測角度的增加，發(fā)動機內(nèi)部高溫固體被有效遮擋，紅外輻射強度降低。結(jié)合圖6(b)～(e)可知:出現(xiàn)紅外輻射強度最大值的角度隨著噴管的矢量偏轉(zhuǎn)而偏轉(zhuǎn)，但紅外強度最大的角度會略小于偏轉(zhuǎn)角度。

圖7是不同偏轉(zhuǎn)角在11H0.85M情況下的紅外輻射強度。

圖6 在0H0M情況下不同矢量角的紅外輻射強度

圖7 在11H0.85M情況下不同矢量角的紅外輻射強度

由圖6、7可知:在11H0.85M情況下的紅外輻射強度明顯低于0H0M情況。這是由于內(nèi)外涵溫度低造成整個發(fā)動機內(nèi)腔和塞錐的溫度低，直接影響了紅外輻射強度。但是紅外輻射的分布規(guī)律和0H0M情況一樣。在無偏轉(zhuǎn)的情況下，由于塞錐的遮擋，0°方向的紅外輻射強度較低，在5°會出現(xiàn)最大的紅外輻射值。隨著探測角度的增加，發(fā)動機內(nèi)部高溫固體被有效遮擋，紅外輻射強度降低。結(jié)合圖6(b)～(e)可知:出現(xiàn)紅外輻射強度最大值的角度會隨著噴管的矢量偏轉(zhuǎn)而偏轉(zhuǎn)，但是紅外強度最大的角度會略小于偏轉(zhuǎn)角度。

2.2 塞錐尾端長度對紅外特性的影響

對4種長度的尾錐模型進行數(shù)值模擬。這4種噴管使尾錐伸出噴口的長度L分別為568，710，852和994 mm。

圖8為4種塞錐在0H0M情況下的塞錐溫度分布。

圖8 不同長度塞錐的溫度分布(0H0M)

圖9為4種不同塞錐在0H0M情況下的紅外輻射強度。

圖9 不同長度塞錐的紅外輻射強度(0H0M)

由圖8、9可知:隨著塞錐長度的增加，尾部尖端處的溫度降低，低溫區(qū)向尾部推移，半徑最大處的高溫區(qū)面積有所增加。在小角度(－25°～25°)范圍內(nèi)，塞錐長度越短紅外輻射強度越高;在其他角度范圍內(nèi)，塞錐長度越長紅外輻射強度越大。這是因為塞錐伸出的噴口的長度越大，在大角度可探測到的塞錐面積越大，故紅外輻射強度越大。

圖10為4種塞錐在11H0.85M情況下的溫度分布。

圖10 不同長度塞錐的溫度分布(11H0.85M)

圖11為4種不同塞錐在11H0.85M情況下的紅外輻射強度。

圖11 不同長度塞錐的紅外輻射強度(11H0.85M)

由圖10、11可知:在11H0.85M 情況下，內(nèi)外涵氣流溫度都比0H0M情況下低，造成發(fā)動機整個內(nèi)腔溫度和塞錐的溫度以及紅外輻射強度都明顯降低。但是塞錐的溫度分布及紅外輻射規(guī)律同在0H0M情況下相似。隨著塞錐長度的增加，尾部尖端處的溫度降低，低溫區(qū)向尾部推移，半徑最大處的高溫區(qū)面積有所增加。在小角度(－25°～25°)范圍內(nèi)，塞錐長度越短紅外輻射強度越高;在其他角度范圍內(nèi)，塞錐長度越長紅外輻射強度越大。這是因為塞錐伸出的噴口的長度越大，在大角度可探測到的塞錐面積越大，故紅外輻射強度越大。

3 結(jié)論

1)塞錐對發(fā)動機內(nèi)部的高溫部件進行了有效遮擋，大大降低了可探測的紅外輻射強度。

2)探測到最大紅外輻射的位置隨著發(fā)動機噴管的矢量的偏轉(zhuǎn)而偏轉(zhuǎn)，但比偏轉(zhuǎn)的角度小。

3)紅外輻射強度的峰值隨著噴管矢量偏轉(zhuǎn)而略有增加。

4)在－25°～25°范圍內(nèi)，塞錐長度越短紅外輻射強度越高;在其他角度范圍內(nèi)，塞錐長度越長紅外輻射強度越大。

5)由于內(nèi)外涵溫度低，造成在11H0.85M情況下紅外輻射強度明顯小于0H0M情況，但規(guī)律相似。

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