下遮挡二元喷口的气动和红外辐射特性的数值研究

【摘要】：航空发动机排气系统高温热部件和高温排气尾焰是飞行器后半球红外辐射的主要来源,圆转矩形非轴对称结构喷管相对于轴对称参考喷管能在较低性能损失的情况下有效降低热喷流及喷管的红外辐射信号。本文的研究内容是在圆转矩形二元喷管(宽高比为3.33)的出口处安装下遮挡板和三角形锯齿,通过基于CFD/IR(计算流体力学/红外辐射)综合数值模拟的方法来研究其气动特性以及遮挡板和锯齿对喷管壁面和尾焰的红外辐射强度的抑制效果。 带下遮挡板结构的喷管改变了原来二元喷管流场的对称分布,相对于基准喷管,加装挡板二元喷管的总压恢复系数并未降低,随着双层遮挡板间距的增大,双层遮挡结构与单层遮挡结构相比,上遮挡板随着双层遮挡板间引射冷气流量的增加温度逐渐降低。通过在间距10mm双层遮挡结构的上遮挡板开缝,可以使夹层通道的引射系数从未开缝时的0.31%提高至0.63%,开缝并加舌片的冷却结构引射系数可以达到1.45%。 加锯齿后的喷管结构普遍缩短了二元喷管的速度/温度核心区的长度,相对基准二元喷管的引射系数有一定程度的提高,但锯齿的堵塞引起推力系数有较为显著的降低。在本文所研究的锯齿结构中,4齿后倾角度较小的喷管相对引射系数最大,能够更好地缩短速度/温度核心区的长度。 不同结构的遮挡板结构均对喷管的排气尾焰红外辐射在-90°~0°方向上有着较好的抑制效果。双层遮挡结构可以有效减小铅垂面下方的红外辐射,但与此同时却增强了0°～90°方向的红外辐射。带狭缝气膜冷却的双层遮挡板对排气系统的红外辐射具有更为显著的抑制效果。锯齿喷管中4齿后倾角较小的结构红外辐射抑制效果最佳。 本文对二元喷口排气系统缩比模型进行了实验研究,通过测量不同喷口结构下的喷口下游温度、速度场分布,分析了单边遮挡加锯齿对二元喷流带来的影响;通过测量不同喷口结构下的喷流和排气系统内壁面的红外辐射强度,定量比较了单层、双层下遮挡对尾焰和排气系统红外辐射抑制效果。