尾錐冷卻對軸對稱分開排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的影響

周 兵，吉洪湖

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尾錐冷卻對軸對稱分開排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的影響

周 兵，吉洪湖

（南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016）

本文采用數(shù)值計算的方法研究渦扇發(fā)動機軸對稱分開排氣系統(tǒng)紅外輻射特征，分析了軸對稱分開排氣系統(tǒng)在3～5mm波段積分輻射強度的空間分布以及各個固體部件紅外輻射的貢獻，并討論了高溫部件冷卻對排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在0°方向上，尾錐的積分輻射強度為總積分輻射強度的65%；采用冷卻空氣對尾錐進行冷卻，冷卻空氣量在0.02kg/s～0.06kg/s范圍內(nèi)，尾錐平均溫度降低12%～22%，可以降低排氣系統(tǒng)紅外輻射強度28.4%～41.8%。

渦扇發(fā)動機；分開排氣系統(tǒng)；紅外輻射特征；尾錐冷卻

0 引言

航空發(fā)動機排氣系統(tǒng)作為飛行器3～5mm波段紅外輻射的主要來源，降低排氣系統(tǒng)紅外輻射特征對提高飛行器戰(zhàn)場生存能力具有重要意義[1]。飛行器排氣系統(tǒng)的紅外輻射來自于熱噴流及其高溫可視部件[2]。針對飛行器排氣系統(tǒng)的紅外抑制措施近年來也有了長足的發(fā)展，在尾噴流紅外輻射抑制方面，采用混合排氣的渦扇發(fā)動機[3]、矩形噴管[4]、引射噴管[5]來增強內(nèi)外流的摻混均可以有效降低尾噴流的紅外輻射強度。在高溫部件紅外輻射的抑制方面，采用二元噴管[6]、帶遮擋板二元噴管[7]、S彎噴管[8]及塞式噴管[9]等異型噴管，對排氣系統(tǒng)內(nèi)部高溫部件有效遮擋也獲得了較好的抑制效果。

軸對稱噴管因其所具有的高氣動性能，在目前的渦輪噴氣/風扇發(fā)動機上仍具有廣泛的應(yīng)用。黃偉、吉洪湖等[10]研究了渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)腔體降溫對紅外輻射特征的影響，得到了中心錐降溫與排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的變化規(guī)律。目前針對中心錐冷卻的研究也在逐漸開展，如張勃、吉洪湖等[11]數(shù)值研究了中心錐氣膜冷卻對噴管腔體紅外輻射的抑制效果。王殿磊、張勃等[12]研究了中心錐氣膜孔排布對紅外輻射的影響。鄧洪偉，尚守堂等[13]研究了氣膜孔/內(nèi)錐混合冷卻形式對紅外輻射的影響。單勇、張靖周等[14]通過實驗的方法研究了中心錐多斜孔氣膜冷卻的紅外抑制效果，研究結(jié)果表明中心錐冷卻能夠有效抑制排氣系統(tǒng)腔體紅外輻射強度。在高溫低發(fā)射率涂層應(yīng)用來抑制排氣系統(tǒng)紅外輻射特征方面的研究，文獻[10]研究了中心錐、支板等采用低發(fā)射率從0.9降至0.2時紅外輻射強度的變化規(guī)律，結(jié)果表明低發(fā)射率材料的應(yīng)用能夠降低排氣系統(tǒng)紅外輻射特征。

在對可見文獻的分析過程中發(fā)現(xiàn)，中心錐冷卻能夠?qū)ε艢庀到y(tǒng)的紅外輻射特征起到抑制效果，但目前發(fā)動機排氣系統(tǒng)的紅外輻射抑制技術(shù)研究是針對混合排氣式渦扇發(fā)動機，對分開排氣渦扇發(fā)動機研究相對較少。目前，分開排氣系統(tǒng)主要應(yīng)用于不帶加力小型渦扇發(fā)動機，它具有流道獨立、設(shè)計簡單、重量較小等優(yōu)點。額日其太、王強等[15]，施小娟、吉洪湖等[16]均研究比較了渦扇發(fā)動機軸對稱分開排氣與軸對稱混合排氣的紅外輻射特性，結(jié)果表明分開排氣系統(tǒng)的推力系數(shù)要高于混合排氣系統(tǒng)，但外露的尾錐明顯增加了排氣系統(tǒng)的紅外輻射強度，成為導(dǎo)彈制導(dǎo)的重要輻射源。故本文針對軸對稱分開排氣系統(tǒng)，設(shè)計一種新型雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)，研究了尾錐冷卻對軸對稱分開排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的影響。

1 物理模型

1.1 渦扇發(fā)動機分開排氣系統(tǒng)

圖1給出了噴管的幾何模型，該噴管由內(nèi)涵進口、外涵進口、尾錐、支板、內(nèi)涵壁面及外涵壁面組成。

圖1 噴管模型

1.2 采用冷卻的排氣系統(tǒng)模型

圖2給出了帶尾錐冷卻的噴管結(jié)構(gòu)圖，與原型噴管相比，其噴管進出口面積及內(nèi)外涵流道均不變，與原型噴管不同的是尾錐采用雙層壁結(jié)構(gòu)。該冷卻結(jié)構(gòu)冷氣出口位于噴管出口附近，出口處靜壓較低，易于實現(xiàn)冷卻氣的流出。圖3中給出了尾錐采取冷卻時的排氣系統(tǒng)的氣流流動，冷卻空氣由風扇出口引入支板，冷卻空氣在流經(jīng)Ⅲ、Ⅳ時對支板壁面及尾錐表面進行冷卻，以達到降低支板與尾錐表面溫度，從而達到降低排氣系統(tǒng)紅外特征的目的，本文在計算中重點考慮外部不同引氣量對尾錐溫度的影響。

圖2 帶尾錐冷卻結(jié)構(gòu)的噴管模型

圖3 冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值計算方法

2.1 流場數(shù)值計算

2.1.1 計算模型及邊界條件

本文采用Fluent軟件進行流場的數(shù)值模擬，運用耦合顯式求解器進行求解。湍流模擬采用SST-兩方程模型，該模型考慮到湍流剪切應(yīng)力的輸運，不但能夠?qū)Ω鞣N來流進行準確的預(yù)測，還能在各種壓力梯度下精確地模擬分離現(xiàn)象，綜合了-模型在近壁模擬和-模型在外部區(qū)域計算的優(yōu)點[16-17]。溫度場的計算考慮了噴管固體壁面之間的輻射、燃氣對噴管固體壁面輻射的吸收與發(fā)射的雙重作用，采用DO模型。燃氣組分濃度場的計算采用組分輸運模型。

圖4給出了噴管流場計算的計算域，基于軸對稱噴管的流動具有對稱型，考慮到支板數(shù)量，采用噴管模型的1/4進行計算，噴管外流場同樣用1/4圓柱，長為20，外流域直徑為10，其中為噴管出口直徑。

本文在數(shù)值計算時，噴管進口采用壓力進口邊界條件，噴管內(nèi)、外涵為2，噴管內(nèi)涵氣流總溫為850K，外涵氣流總溫400K；噴管外流域采用壓力遠場及壓力出口邊界，壓力為101325Pa，溫度為300K；冷氣進口采用質(zhì)量流量入口邊界。表1給出了內(nèi)、外涵氣流及外流域氣流中CO、H2O、CO2及O2的質(zhì)量分數(shù)，其余為N2。

圖4 計算域

表1 組分的質(zhì)量分數(shù)

2.1.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨立性驗證

本文流場計算所采用的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖5給出了計算域?qū)ΨQ面網(wǎng)格。計算時進行了網(wǎng)格獨立性驗證，對流場及近壁面處網(wǎng)格進行加密，分別計算了60萬、85萬、110萬150萬的網(wǎng)格下的流場及壁面溫度場。本文定義無量綱溫度＝(－a)/(max－a)，其中，max為流場最大溫度，a為環(huán)境溫度，單位為K。圖6給出了不同網(wǎng)格下尾錐壁面無量綱溫度分布，其中向為噴管軸線方向，為尾錐長度。網(wǎng)格從60萬增加到85萬時尾錐表面溫度發(fā)生了較大變化，隨網(wǎng)格的增加溫度逐漸趨于一致，而110萬網(wǎng)格與150萬的網(wǎng)格的尾錐壁面溫度基本不變，故采用110萬網(wǎng)格進行計算。

圖5 對稱面網(wǎng)格

2.2 紅外輻射特征數(shù)值計算

本文采用課題組自主開發(fā)的NUAA-IR軟件，對排氣系統(tǒng)尾向0°～90°范圍內(nèi)的紅外輻射特征進行了計算。計算方法采用離散傳遞法[18]，該軟件的計算精度在文獻[19]得到實驗驗證。排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征包括固體壁面及尾噴流兩部分。噴管內(nèi)固體壁面的紅外輻射包括其自身發(fā)射和對入射輻射的反射，其紅外輻射特征由固體部件的溫度分布和發(fā)射率決定，本文計算發(fā)射率取0.9。尾噴流的紅外輻射主要由溫度場、壓力場及CO2等氣體組分的濃度場等決定。固體壁面溫度及尾噴流的流場數(shù)據(jù)由Fluent的流場計算結(jié)果提供。

圖6 不同網(wǎng)格下尾錐表面無量綱溫度

基于軸對稱噴管的對稱性，本文計算排氣系統(tǒng)尾向＝0°～90°范圍內(nèi)的紅外輻射強度，探測角度從0°開始，每隔5°進行一次排氣系統(tǒng)紅外輻射強度的計算。圖7給出了探測方位角的示意圖。

圖8給出了軸對稱分開排氣紅外輻射特征計算網(wǎng)格。網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，該網(wǎng)格對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 噴管流場結(jié)果與分析

噴管推力特性是噴管最重要的性能指標之一，本文將對4種冷卻流量下噴管的推力性能進行計算分析。噴管推力系數(shù)f定義為f＝/i，其中為噴管實際推力，i為噴管的理想推力。圖9給出了不同冷卻空氣流量下噴管的推力系數(shù)變化，由圖中可以看出，隨著冷卻流量的增加，噴管推力系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，最大下降不超過0.26%。

圖8 噴管固體壁面的紅外輻射特征計算網(wǎng)格

圖9 噴管推力系數(shù)

為了計算排氣系統(tǒng)紅外輻射特征，本文對原型噴管及帶尾錐冷卻結(jié)構(gòu)的噴管流場及壁面溫度進行了數(shù)值計算，受篇幅限制，本文僅給出原型噴管及冷卻空氣流量為0.02kg/s時對稱面的溫度分布、CO2濃度分布。

圖10給出了對稱面上無量綱溫度分布。由圖中可以看出，尾噴流核心區(qū)溫度較高，且出現(xiàn)高溫區(qū)與低溫區(qū)交替出現(xiàn)的規(guī)律，隨著與外界的熱交換，核心區(qū)溫度逐漸降低。對于帶有尾錐冷卻結(jié)構(gòu)的噴管，因為尾錐末端有低溫空氣的流出，起到了摻混作用，也使得噴流核心區(qū)內(nèi)中心軸線附近溫度有所降低，核心區(qū)溫度分布發(fā)生改變。

圖11給出了對稱面上CO2的濃度分布，圖11(a)為原型噴管CO2的濃度分布，由于擴散作用，核心區(qū)燃氣組分濃度逐漸降低，與傳統(tǒng)軸對稱噴管溫度分布一致。圖11(b)給出了帶尾錐冷卻結(jié)構(gòu)噴管對稱面上CO2的濃度分布。由于從尾錐夾層內(nèi)流出的氣體為空氣，故在核心射流的中心區(qū)域極小范圍內(nèi)，形成了一個低CO2濃度區(qū)。也是由于空氣的引入，導(dǎo)致CO2的核心區(qū)的長度有所減小。

圖12給出了原型噴管及帶冷卻結(jié)構(gòu)噴管支板及尾錐表面溫度，由尾錐及支板的溫度分布可知，冷卻氣流對降低支板及尾錐的溫度較為明顯，尤其是在支板及尾錐連接處形成了低溫區(qū)域。

圖13給出了原型噴管及不同冷氣流量下的尾錐沿軸線方向表面溫度的分布，從圖中可以看出，隨著冷卻空氣的增加，尾錐同一位置處表面溫度逐漸降低。在/=0.4（尾錐冷卻起始位置）時尾錐表面溫度迅速下降，支板及尾錐平均溫度降幅12%～22%，最大溫度降幅達到35%。對于/＜0.4的尾錐表面，由于熱傳導(dǎo)的作用在也形成了較為明顯的溫度梯度。

圖10 對稱面上無量綱溫度分布

圖11 對稱面上CO2濃度分布

圖12 尾錐及支板溫度分布

圖13 尾錐表面無量綱溫度分布

3.2 噴管紅外輻射特征結(jié)果與分析

3.2.1 原型噴管

圖14給出了排氣系統(tǒng)各個固體部件的投影面積，可以看出隨著探測角度的增加，可探測固體壁面面積在逐漸減小。尾錐在尾向0°方向上投影面積最大，而內(nèi)涵內(nèi)壁在50°左右可視面積達到最大。

圖14 噴管壁面投影面積

本文的紅外計算結(jié)果以無量綱積分輻射強度的形式給出，即/max，其中max為原型噴管積分輻射強度的最大值。圖15給出了排氣系統(tǒng)無量綱積分輻射強度的分布，隨著探測角的逐漸增加，在10°方向達到最大值。在0°探測方向上，固體壁面的紅外輻射強度占整個排氣系統(tǒng)紅外輻射強度的93%。

圖16示出了各個部件無量綱積分輻射強度分布。由圖中可以看出在0°時，尾錐的紅外輻射占整個排氣系統(tǒng)固體壁面輻射的65%。結(jié)合圖14結(jié)果，尾錐在0°～30°方向上的投影面積大于其他固體壁面，而且溫度相對與其他部件也較高，故在0°～30°方向上尾錐對排氣系統(tǒng)紅外輻射貢獻最大。

3.2.2 冷卻對排氣系統(tǒng)紅外特征影響規(guī)律

圖17給出了不同冷卻空氣流量下排氣系統(tǒng)尾向0°～90°范圍內(nèi)尾錐的無量綱積分輻射強度。尾錐紅外輻射強度在5°時值最大，隨著探測角度的增加，尾錐可視面積逐漸減小，紅外輻射強度減小較快。隨著冷卻空氣流量的逐漸增加，紅外輻射強度分別降低38%、52.3%與59.5%。

圖15 排氣系統(tǒng)無量綱積分輻射強度分布

圖16 各個部件的無量綱積分輻射強度

圖17 不同冷卻空氣流量下尾錐無量綱積分輻射強度

圖18給出了不同空氣流量下噴流0°～90°范圍內(nèi)的無量綱積分輻射強度。從圖中可以看出，隨著冷卻流量的增加，噴流在0°～90°范圍內(nèi)均有所減小，主要是因為冷卻氣在噴流核心區(qū)摻混，導(dǎo)致的核心區(qū)軸線附近的溫度、CO2等組分的質(zhì)量分數(shù)略有減小。冷卻空氣流量為0.02kg/s、0.04kg/與0.06kg/s時，與原型噴管相比，噴流在90°方向上紅外輻射強度降低分別為3.55%、5.13%、與6.62%。

圖18 不同冷卻空氣流量下噴流無量綱積分輻射強度

圖19給出了不同冷卻空氣流量下排氣系統(tǒng)尾向0°～90°范圍內(nèi)無量綱紅外輻射強度分布。與原型噴管相比，隨著冷卻空氣流量的逐漸增加，噴管紅外輻射強度在整個測量范圍內(nèi)呈現(xiàn)降低的趨勢。圖20給出了0°方向上排氣系統(tǒng)積分輻射強度隨不同冷卻空氣量的變化。圖中可以看出，不同冷卻空氣量使得排氣系統(tǒng)的紅外輻射強度分別降低28.4%、38.5%、41.8%。隨著空氣量的增加，紅外輻射強度的減小量在減少。

圖19 不同冷卻空氣流量下排氣系統(tǒng)積分輻射強度

圖20 積分輻射強度隨冷卻氣流量的變化

4 結(jié)論

本文對軸對稱分開排氣噴管的流場及紅外輻射特征進行了數(shù)值計算，對計算結(jié)果進行了分析研究，得出以下結(jié)論：

1）軸對稱分開排氣系統(tǒng)中，在0°方向上尾錐對排氣系統(tǒng)的紅外輻射貢獻約為65%。

2）對尾錐及直板采取冷卻措施，冷卻空氣量從0.02kg/s增加至0.06kg/s，尾錐平均溫度降幅為12%～22%，尾錐末端溫度降幅最大，最大溫度降幅達到35%。

3）帶尾錐冷卻噴管在0°～30°方向上紅外積分輻射強度明顯降低。與原型噴管相比，在0°探測方位角上，排氣系統(tǒng)紅外輻射強度降低28.4%～41.8%；在90°探測方位角上尾噴流紅外輻射強度降低3.55%～6.62%。

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The Effect of Plug Cooling on Infrared Radiation Characteristic of Axisymmetric Individual Exhaust System

ZHOU Bing，JI Honghu

(,,210016,)

The Infrared Radiation(IR) characteristic of the axisymmetrical individual exhaust system of turbofan engine has been investigated with numerical simulation method. The IR characteristics in the waveband of 3-5mm of the individual exhaust systems and the IR contributions of different solid parts were calculated and analyzed. The effect of cooling the hot-parts on IR characteristic of exhaust system is discussed. The results show that integral radiation intensity of plug accounts for 65% of the total integral radiation intensity at 0°. Cooling air is adopted to reduce wall temperature of the plug, of which flow rate varies from 0.02kg/s to 0.06kg/s. The average temperature of center body was depressed by 12%-22%, and the IR intensity of exhaust system can be reduced by 28.4%-41.8%.

turbofan engine，individual exhaust system，infrared radiation characteristic，plug cooling

V231.1

A

1001-8891(2016)05-0422-07

2015-06-25；

2015-12-15.

周兵（1985-），男，山東淄博人，博士生，主要從事航空發(fā)動機紅外隱身技術(shù)研究。E-mail：zhoubing319@163.com。