鋸齒矢量噴管氣動(dòng)和紅外輻射特性研究

蔣建峰,征建生

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院,江蘇 蘇州 215123;2.南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,江蘇 南京 210000;3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所無(wú)錫分部,江蘇 無(wú)錫 225700)

1 引 言

為了滿足未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)更加寬泛的性能要求[1],對(duì)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)俯仰與偏航控制的球面收斂二元矢量噴管研究逐漸得到大家的關(guān)注[2-3]。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)此類型噴管開(kāi)展了一系列的研究。針對(duì)氣動(dòng)性能的研究,黃章斌和黃宏艷[4-6]等各自利用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段對(duì)球面收斂收擴(kuò)噴管進(jìn)行了研究,考察了俯仰角、偏航角和喉道寬高比等尺寸參數(shù)對(duì)性能的影響。

鋸齒的加入主要為縮短噴流核心區(qū)的長(zhǎng)度,同時(shí)增大了對(duì)內(nèi)部高溫部件的遮擋,在噴管矢量偏轉(zhuǎn)時(shí)可以有效降低噴管的紅外輻射特征,達(dá)到保護(hù)戰(zhàn)機(jī)的目的。針對(duì)鋸齒或突片作用原理的研究逐漸的得到研究人員的探索[7-8]。楊智惠等試驗(yàn)研究了突片對(duì)噴管氣動(dòng)和紅外輻射抑制效果,結(jié)果表明突片會(huì)造成推理系數(shù)下降,后向紅外輻射強(qiáng)度有效降低10 %～20 %。

本文針對(duì)全尺寸單鋸齒排氣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真,分析噴管紅外特性、氣動(dòng)性能分別受噴管尾部鋸齒結(jié)構(gòu)及噴管俯仰動(dòng)作的影響規(guī)律。

2 物理模型

本文研究的排氣系統(tǒng)主要包含內(nèi)外涵道、涵道混合器、中心錐體、火焰穩(wěn)定器、球面收斂段和二元擴(kuò)張段如圖1所示。

1-內(nèi)涵；2-外涵；3-混合器； 4-中心錐；5-火焰穩(wěn)定器；6-球面收斂段；7-噴管擴(kuò)張段

模型總長(zhǎng)度約為2.5 m,寬(W)高(H)比為2,如圖2(a)所示。圖2(a)為本文研究的基準(zhǔn)噴管,在噴管出口分別采用不同齒頂角,分別為60°、90°和120°。鋸齒底邊與出口寬度一致,采用等腰三角形形狀,改變鋸齒的頂角β。

圖2 鋸齒噴管示意圖

3 數(shù)值計(jì)算方法

3.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件

網(wǎng)格劃分采用ANSYS-ICEM軟件。整體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以應(yīng)對(duì)排氣系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜型面。為對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試,通過(guò)改變排氣系統(tǒng)壁面附近網(wǎng)格的疏密和尾跡外場(chǎng)的網(wǎng)格尺寸,劃分計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)目分別為200萬(wàn),3500萬(wàn),513萬(wàn),602萬(wàn)和816萬(wàn)。對(duì)比計(jì)算結(jié)果和計(jì)算時(shí)間,選定計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目為602萬(wàn)。

進(jìn)口邊界條件采用質(zhì)量流量進(jìn)口,其中外涵入口流量為50 kg/s,總溫為400 K,內(nèi)涵入口燃?xì)饬髁吭O(shè)為80 kg/s,總溫為1100 K。為了進(jìn)行噴管紅外輻射計(jì)算,在進(jìn)行流場(chǎng)仿真時(shí)考慮流體組分,其中外涵為標(biāo)準(zhǔn)大氣,內(nèi)涵為燃燒后的燃?xì)?成分僅考慮二氧化碳和水蒸氣,質(zhì)量占比分別為0.233和0.767。外場(chǎng)邊界為壓力出口,環(huán)境壓力101325 Pa和環(huán)境溫度300 K。固體壁面采用無(wú)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,壁面的發(fā)射率設(shè)為0.75[9]。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行湍流流場(chǎng)分析。流動(dòng)傳熱控制方程采用二階迎風(fēng)差分格式離散,各變量的收斂精度均設(shè)為10-6,壓力與速度耦合采用SIMPLE算法[10]。

3.2 紅外輻射特性計(jì)算

本文采用正反射線蹤跡法計(jì)算排氣噴流和噴管內(nèi)部的3～5 μm波段紅外輻射,詳細(xì)計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[11]。在噴管出口中心線所在的水平面和垂直面上分別取距離噴管出口中心的探測(cè)點(diǎn),探測(cè)距離設(shè)為60 m。出口中心線為0°位置,探測(cè)點(diǎn)具體分布詳見(jiàn)圖3。大氣對(duì)紅外輻射特性的影響本次計(jì)算暫未考慮。

圖3 紅外輻射探測(cè)點(diǎn)的空間分布示意圖

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 氣動(dòng)特性

圖4為噴管出口下游熱噴流的馬赫數(shù)分布。60°頂角鋸齒結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了噴管擴(kuò)張段的長(zhǎng)度,增加了擴(kuò)張段面積,尾流由于鋸齒的存在,射流張角增大。鋸齒的存在使得噴管熱噴流可以在鋸齒部分繼續(xù)膨脹,但是因?yàn)檫M(jìn)口條件沒(méi)有改變,沒(méi)有足夠的壓力使得速度繼續(xù)增加,在出口處存在一道激波用來(lái)使流體速度升高。

90°頂角和120°鋸齒擴(kuò)張段長(zhǎng)度同樣被加長(zhǎng),但是面積比60°鋸齒降低。熱噴流也會(huì)在鋸齒中繼續(xù)膨脹,由于面積減小,所需要的膨脹壓力降低,這道激波造成的損失減小。90°鋸齒低壓區(qū)域分布面積減小,正激波位置在鋸齒外,且激波強(qiáng)度降低,高壓分布區(qū)域面積降低。隨著噴管偏轉(zhuǎn)角度的增大,低壓區(qū)的范圍逐漸降低。

比較噴管出口下游馬赫數(shù)的衰減速度可以發(fā)現(xiàn)隨著齒頂角的增大,衰減速度逐漸降低,這是由于尾噴流的膨脹程度逐漸降低,動(dòng)能衰退速度變慢導(dǎo)致。

對(duì)于排氣系統(tǒng)而言,推力系數(shù)是反應(yīng)矢量噴管排氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能的主要參數(shù)之一。針對(duì)考慮內(nèi)、外涵進(jìn)氣的排氣系統(tǒng),其定義如下:

噴管推力系數(shù)Cv:

Cv=F/Fi

(1)

式中,F是噴管實(shí)際推力；Fi是通過(guò)一維等熵公式計(jì)算出的理論推力。

圖5為各類型鋸齒噴管在不同俯仰角下推力系數(shù)變化圖?？梢钥闯?加裝了鋸齒結(jié)構(gòu)噴管后推力系數(shù)比常規(guī)噴管小。這是由于增加了鋸齒結(jié)構(gòu),尾噴流摻混能力加強(qiáng),噴管的推力系數(shù)有一定程度的降低。推力系數(shù)隨著頂角的增大先減小后增大。隨著下俯矢量角的增加,推力系數(shù)均有所下降,但是齒頂角90°噴管對(duì)推力系數(shù)的影響較大。

圖5 排氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能的影響

4.2 氣體紅外輻射特性對(duì)比

圖6為不同俯仰角時(shí)鋸齒修型噴管和基準(zhǔn)噴管在水平方向熱噴流各個(gè)探測(cè)方向3～5 μm波段熱噴流紅外輻射強(qiáng)度與基準(zhǔn)噴管熱噴流紅外輻射強(qiáng)度峰值的比值(Ir)。

圖6 熱噴流3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)度對(duì)比值

從圖6中可以看出無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)水平方向在熱噴流紅外輻射空間分布呈現(xiàn)明顯的雙峰形狀,這是由于氣體的輻射和吸收在整個(gè)氣體容積中進(jìn)行的,在中間90°位置,雖然燃?xì)廨椛浯?但同時(shí)氣體的吸收也大,因而被探測(cè)到得值較低。在處于對(duì)稱位置的80°與100°的測(cè)點(diǎn)處可以探測(cè)到最高的熱噴流輻射。無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)可以看出鋸齒對(duì)熱噴流的影響較小。隨著矢量偏轉(zhuǎn)時(shí),雙峰結(jié)構(gòu)逐漸減弱。偏轉(zhuǎn)20°時(shí),60°頂角鋸齒噴管熱噴流輻射形狀與其他鋸齒不同,這是由于鋸齒面積過(guò)大而遮擋了部分尾流核心區(qū)輻射。與原始噴管相比,90°探測(cè)點(diǎn)探測(cè)的數(shù)值差距隨著偏轉(zhuǎn)矢量角的增大而加大,從無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)的3.7 %到20°偏轉(zhuǎn)時(shí)的41.5 %。總體來(lái)看,鋸齒對(duì)熱噴流的影響效果隨頂角的增大而減弱。

從圖6(c)中可以看出原始噴管在發(fā)生矢量偏轉(zhuǎn)時(shí),“雙峰”結(jié)構(gòu)逐漸消失,這意味著90°測(cè)點(diǎn)處氣體容積輻射效果減弱,測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離氣體溫度核心區(qū)。20°矢量偏轉(zhuǎn)后90°測(cè)點(diǎn)位置數(shù)值降20.2 %。而加裝鋸齒結(jié)構(gòu)噴管隨著偏轉(zhuǎn)矢量角度的增加,也同樣保持的這樣的規(guī)律,但推遲了雙峰結(jié)構(gòu)的消失。20°矢量偏轉(zhuǎn)后90°位置探測(cè)到的輻射強(qiáng)度下降34.2 %。

4.3 總體紅外輻射特性對(duì)比

圖7為不同俯仰角下噴管在水平方向各個(gè)探測(cè)方向3～5μm波段總體紅外輻射強(qiáng)度與基準(zhǔn)噴管總體紅外輻射強(qiáng)度峰值的比值(Ir)?？傮w紅外輻射由內(nèi)部高溫部件、壁面以及氣體輻射組成。

從圖7(a)中可以看出鋸齒的增加在無(wú)偏轉(zhuǎn)矢量角時(shí),鋸齒噴管與原始噴管無(wú)明顯差別。在噴管發(fā)生矢量偏轉(zhuǎn)時(shí),鋸齒噴管高溫部件輻射降低,且隨著頂角的增大輻射值也增大。這是因?yàn)殇忼X溫度比噴管內(nèi)部溫度低很多,主要起到遮擋高溫部件的作用。因而從圖中可以明顯看出來(lái),隨著偏轉(zhuǎn)矢量角的增加不同鋸齒的差別逐漸顯現(xiàn)。鋸齒頂角越小,鋸齒面積越大,遮擋的高溫部件范圍也越多,因而被探測(cè)到得數(shù)值也越低,20°矢量偏轉(zhuǎn)時(shí),60°頂角鋸齒數(shù)值突降。鋸齒內(nèi)部高溫部件遮擋住,內(nèi)部的高溫部件時(shí)輻射的主要來(lái)源,90°測(cè)點(diǎn)位置下降95 %,效果顯著,90°和120°頂角則分別降低25.6 %和12.3 %。

圖7 3～5 μm波段總體紅外輻射強(qiáng)度對(duì)比值

隨著噴管作矢量偏轉(zhuǎn)時(shí),高溫部件紅外輻射強(qiáng)度逐漸減弱,且隨著偏轉(zhuǎn)矢量角的增大而降低。原始噴管在10°矢量角和20°矢量角偏轉(zhuǎn)時(shí),峰值分別下降30.3 %和69.9 %。90°頂角鋸齒噴管則分別下降77.7 %和36.6 %。可見(jiàn)鋸齒噴管在矢量偏轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)高溫部件輻射偏轉(zhuǎn)時(shí)效果更好。

5 結(jié) 論

(1)與基準(zhǔn)噴管相比,鋸齒的使用均會(huì)引起推力系數(shù)下降,同時(shí)90°齒頂角對(duì)噴管推力系數(shù)的影響要大于另外兩組齒頂角鋸齒噴管。

(2)單鋸齒噴管出口尾跡與基準(zhǔn)噴管相比,速度核心區(qū)有所擴(kuò)大,但是速度衰減更為快速。

(3)鋸齒對(duì)水平方向噴管中心向兩側(cè)15°方向內(nèi)尾跡紅外輻射強(qiáng)度有一定的影響,其余水平方向影響甚微。

(4)無(wú)偏轉(zhuǎn)的鋸齒噴管在水平方向上總體紅外輻射與基準(zhǔn)噴管強(qiáng)度接近,鋸齒作用體現(xiàn)在噴管偏轉(zhuǎn)時(shí)。20°矢量偏轉(zhuǎn)時(shí),水平方向90°探測(cè)角位置60°頂角鋸齒噴管下降95 %,90°和120°頂角則分別降低25.6 %和12.3 %。