液冷塞式二元喷管对发动机红外辐射影响仿真及实验研究

随着现代红外制导武器不断发展,作战飞行器的生存面临着巨大的威胁。数值仿真和实验研究了液冷塞锥不同冷却效率对配装二元寨式喷管的发动机红外辐射特征影响。研究结果表明:对塞锥进行冷却后,可有效降低发动机尾向3~5μm波段红外辐射特征。对于发动机喷流红外辐射,采用塞锥液冷措施可有效降低喷流红外辐射,当冷却水量为0.1、0.2、0.3 kg/s时,喷流0°~90°红外辐射强度均值分别可降低31.9%、53.5%和68.7%。对于发动机固体辐射,塞锥冷却效率在0.3~0.7范围,发动机尾向0°~30°固体红外辐射特征随冷却效率的升高而迅速降低;当冷却效率达到0.7以上时,发动机机尾向0°~30°固体红外辐射特征降低趋势减缓。实验结果表明当冷却水量为0.3 kg/s时,塞锥冷却效率达到0.876,相对于基准发动机,隐身型发动机在0°~10°红外辐射均值可降低94.77%。

引气结构对二元塞式喷管冷却和红外辐射特性的影响

为降低加力状态下二元塞锥表面温度和喷管红外辐射强度,对塞锥进行冷却结构设计。采用数值模拟的方法对比分析了引气结构、冷却通道高度和冷气入口总压比对塞锥冷却和喷管红外辐射特性的影响。结果表明:塞锥冷却后其表面温度和喷管红外辐射强度显著降低;引气腔内无冲击板时,引气角度的改变引起射流核心区位置的变化,造成塞锥头部和前缘展向温度分布差异明显,引气角度为90°时塞锥表面最高温度要比30°和60°的模型高50K;加装冲击板后,冷却通道内的流量分配和塞锥前缘的展向温度分布得到有效改善、塞锥头部的换热得以增强,但同时会引起较大的总压损失,因此相同入口总压比下,加装冲击板后冷却流量降低、塞锥外表面温度升高;随着冷却通道高度增大,冷气流量增加、流速降低,故存在一个最佳通道高度使得塞锥冷却效果最好;以塞锥无冷却为基准,入口总压比为1.0~1.8时,塞锥外表面最高温度降低了470~590K,0°探测角上红外辐射强度降低了25%~33%。

矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响

为了研究矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响,通过喷管缩比模型的红外辐射特征试验,获得矢量偏转对喷管缩比模型红外辐射特征影响的试验数据及规律,并验证了红外辐射特征数值计算方法的计算精度。采用经过验证的计算方法对全尺寸二元塞式矢量喷管在发动机地面工作状态下的流场特性与红外辐射特征进行了数值仿真。研究结果表明:当矢量偏转角由0°增加到20°,塞锥壁面温度分布基本不变,但喷管偏转压力侧壁面温度逐渐升高,最大增幅达到38.5%,喷管偏转吸力侧壁面温度逐渐下降,最大降低15.4%。塞锥是二元塞式矢量喷管最主要的红外辐射源,在尾向-20°~20°方向,塞锥的平均贡献≥63.6%,最大高达91.0%。随着偏转角增加,喷管在水平探测面内的红外辐射强度逐渐减小,其中正尾向上的降幅最大,达到33.6%;在铅锤探测面内,辐射峰值方向朝矢量偏转方向偏移,但偏移角度小于矢量偏转角度。全尺寸模型仿真获得的矢量偏转对喷管红外辐射特征分布的影响规律与缩比模型试验的结论一致。

冷却结构塞式喷管红外特性抑制试验技术研究

利用涡扇发动机喷管红外辐射特征模拟试验台,对二元塞式喷管的红外辐射特征进行试验研究,得到塞锥冷却对二元塞式喷管红外辐射特性的影响规律,并与轴对称收扩喷管(基准喷管)进行了对比。试验结果表明:在探测角0°方向上,相比基准喷管,二元塞式喷管在不采取冷却措施时红外特征降低了12.1%,冷气流量为1.0%总流量时红外辐射强度降低了40.8%,冷气流量为2.8%总流量时红外辐射强度降低了51.2%。

二元塞式喷管塞锥气膜冷却特性研究

加力状态使得二元塞式喷管热负荷急剧升高,势必需要引入冷气对塞锥进行冷却。在缩比模型试验验证的基础上,采用全尺寸模型数值仿真,对比分析了入口总压比、开孔率和气膜孔径对二元塞式喷管流动和冷却特性的影响。结果表明:在研究参数范围内,气膜冷却能够显著降低塞锥表面温度,对喷管推力系数影响甚微;以无冷却为基准,入口总压比从1.02增至1.20,塞锥表面温度降低了20%~45%,总压恢复系数降低了0.22%~1.26%;增大开孔率会导致冷却通道压力降低、气膜出流阻力增大,在塞锥尾部甚至出现热气倒灌,综合考虑整个塞锥表面的冷气出流状况,小开孔率结构更具优势;减小气膜孔径意味着气膜孔数目增加、气膜覆盖范围增大,使得塞锥冷却效果有微弱的改善。

二元塞式喷管红外特征及壁面降温的红外抑制效果计算

用数值计算的方法研究了涡扇发动机二元塞式喷管在3～5μm波段的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比.结果表明:无冷却措施时,相比于轴对称收扩喷管,二元塞式喷管在大部分探测角度上红外辐射增强,只在小部分的探测角度范围内具有红外抑制作用,在窄边探测面内探测角为90°方向上,其红外辐射强度降低了54%.若塞锥后部壁面温度降低300K,二元塞式喷管在大部分探测角度范围内的红外辐射强度明显低于轴对称喷管,在正尾向上的红外辐射强度降低了57%;与轴对称喷管中心锥表面降低相同温度相比,二元塞式喷管能取得更高的红外抑制效果,并且所付出的冷却代价较小.

塞锥气膜冷却对二元塞式喷管红外特征的影响

为了研究二元塞式喷管塞锥壁面多斜孔气膜冷却对喷管红外特征的影响,设计了带冷却结构的喷管试验模型,测量了吹风比从0增加到1时的塞锥壁面温度、喷管出口截面处喷流温度以及喷管红外辐射强度.结果表明:随着吹风比的增加,气膜冷却效率逐渐提高,最大达到0.68;喷管出口截面在中心区域喷流的温度逐渐降低,最大降幅为14%;喷管红外辐射强度逐渐降低,在0°方位角上最大降低52.8%,在90°方位角上最大降低13%.

二元塞式矢量喷管塞锥尾缘冷却及红外辐射抑制效果

运用数值模拟方法,在主流总温920K、冷却空气总温470K的参数条件下,对比分析了塞锥尾缘气膜孔开孔率(1%~4%)、冷却空气用量(4.3%主流质量流量以内)和矢量偏转角(0°~20°)对二元塞式喷管塞锥尾缘冷却和红外辐射的影响。结果表明塞锥尾缘气膜冷却可以有效降低表面温度和喷管红外辐射强度,开孔率为2%的气膜孔阵列的表面降温效果相对较优;冷却空气质量流量比超过2.85%时,塞锥表面温度降低幅度随冷却质量流量比的变化趋于减缓,当冷却空气质量流量比为2.85%时,水平探测面±30°探测角内红外辐射强度相对无冷却喷管下降50%左右,铅垂探测面上气膜冷却表面降温对红外辐射强度的抑制效果更为显著;矢量角对于壁面温度分布影响很小,但对红外辐射强度空间分布具有重要的影响。