涡扇发动机排气系统红外特征计算与抑制技术研究

【摘要】：本文研究的涡扇发动机排气系统红外特征是指带加力燃烧室的涡扇发动机低压涡轮后的所有内部结构及热喷流的红外辐射特征。研究了非加力状态的红外辐射特性计算方法与抑制措施,包括以下四方面内容:(1)通过对现有资料的分析,讨论了国内外红外隐身技术的发展及应用现状,以及目标红外特征数值模拟的研究进展;(2)发展了一套高效的,可以计算涡扇发动机排气系统红外辐射强度,进行部件红外辐射贡献分析并评价红外抑制效果的数值模拟方法和程序;(3)采用缩比模型实验研究了低发射率和冷却两种红外抑制措施的效果,并用所取得的试验数据对计算方法进行了验证;(4)采用本文发展的方法和程序对典型涡扇发动机轴对称排气系统非加力状态的红外辐射特征进行了计算,分析了上述两种措施的红外抑制规律,并对红外抑制效果进行了评价。 基于反向蒙特卡罗法,计算分析了涡扇发动机排气系统非加力状态的红外辐射特征。采用对流-辐射耦合的方法对流场和温度场进行了解算,采用SST k ?ω两方程模型进行湍流模拟,以灰气体加权模型确定气体介质的辐射参数。通过将探测立体空间进行像素化划分实现了目标辐射亮度图的显示,同时根据射线归宿点的位置将燃气辐射和壁面辐射,各部件的有效辐射、自身辐射和反射辐射分开计算,为分析发动机红外辐射特征提供了有效手段。从探测器的角度出发,基于等效噪音照度NEI得到了探测距离的计算式,可初步对红外抑制效果进行评价。计算探测距离时需与大气透过率进行迭代耦合计算。计算大气透过率时考虑了H_2O、CO_2、CO、CH_4、N_2O和N_2等六种气体的吸收作用。通过MPI并行编程实现了计算速度的提高,并行效率可达99%左右。与模型实验的红外辐射强度相比,本文的计算结果在合理的范围内。与文献提供的数据相比,本文计算得到的探测距离与文献数据的分布规律一致。 在某些特殊情况下,腔体中壁面的方向反射特性会对辐射强度的分布存在比较明显的影响。本文的计算的程序可以考虑壁面的漫反射和镜反射特性,扩展了程序的计算能力和适用范围,大幅降低了实验模型的计算误差。 以本文发展的计算方法为工具,计算分析了典型加力式涡扇发动机轴对称排气系统在外流Ma=0和外流Ma=1.2两种工况下非加力状态时的红外辐射特性,揭示了改变温度和发射率分布对加力式排气系统红外辐射特征的影响规律,并设计了一种低红外辐射的壁面温度和发射率分布方案,结果表明:将涡轮、中心锥、内外涵分界面和径向稳定器等高温部件的发射率降至0.2,中心锥的温度降低100K,喷管的温度降低50K,可使排气系统在α= 0°方向上的红外辐射降低约47%～49%,探测距离缩短约20%。