典型渦扇雙發(fā)動機排氣系統(tǒng)紅外輻射特征數(shù)值分析

蘇浩男,婁宗勇,李大偉,陳立海

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學 河北省軍民融合示范基地,河北 承德 067000)

航空發(fā)動機的噴管內(nèi)高溫部件和尾噴流是飛機在3～5 μm 波段的主要輻射源[1-2],準確的模擬其輻射特性對于飛機的紅外隱身設(shè)計、紅外抑制措施的研究和紅外輻射特性評估等均具有非常重要的意義。

紅外輻射特性數(shù)值計算涉及計算流體力學、計算傳熱學、計算輻射學及計算機圖形學等多學科理論與技術(shù)[20],它主要解決的是輻射能量在三維空間的傳輸問題。常用的紅外輻射能量在空間傳輸?shù)臄?shù)值方法,如離散坐標法[3]、有限體積法[4]、離散傳遞法[5]、蒙特卡洛法[6]、逆向蒙特卡洛法[7]等。其中逆向蒙特卡洛法(Reverse Monte Carlo Method,RMCM)針對目標輻射特性這類只關(guān)心某個方向探測器接收能量的問題的計算時,可以大幅提高計算效率[8]。

早在20 世紀60 年代,美國就已經(jīng)開始了目標紅外輻射特征的計算研究。NASA 在R.huffaker[9]的主持下,開發(fā)了輻射計算程序用以評估和預(yù)測“土星”火箭噴流CO2,H2O 和CO 等組分和極細煙塵顆粒的輻射熱流對基底的影響。1974 年,GE 公司的Wilton 發(fā)表了計算噴氣發(fā)動機的紅外輻射特性的程序說明[10],該程序能夠計算1～20 μm 波段內(nèi)的飛機紅外輻射特性,并能夠通過計算給定的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的鎖定距離來評估飛機的生存力。北約在上世紀80 年代開發(fā)了NIRATAM 軟件[11-12],該軟件基于離散傳遞法,可預(yù)測飛機在3～5 μm 和8～14 μm 波段范圍內(nèi)的紅外輻射特性,預(yù)估結(jié)果和實驗測量結(jié)果非常接近。

相比國外,國內(nèi)的研究起步較晚,20 世紀80 年代末開始對發(fā)動機尾焰紅外輻射計算問題展開初步研究[13-14]。帥永,董士奎,劉林華[15]等利用RMCM 模擬計算高溫含粒子自由流的紅外輻射特性,考察了自由流中粒子散射和邊界條件對定向輻射熱流的影響,并與正向蒙特卡洛法進行比較,比較結(jié)果表明反向蒙特卡洛法在計算效率上明顯優(yōu)越。2010-2011 年,南京航空航天大學的黃偉、吉洪湖等[16-18]采用RMCM 結(jié)合窄譜帶模型開發(fā)了渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)紅外輻射特性計算程序,該程序?qū)ε袛嗌渚€歸宿的過程進行了改進,能夠?qū)⒏邷責岵考椛浞珠_計算;將程序應(yīng)用于某典型渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)縮比模型的紅外輻射特性數(shù)值模擬,并與實驗結(jié)果進行對比,二者吻合較好,證明了該程序的可靠性。

為了提供更大的推力,重型戰(zhàn)斗機均采用兩個發(fā)動機作為動力裝置,目前國內(nèi)在雙發(fā)排氣系統(tǒng)紅外特征方面的研究還比較少,因此開展雙發(fā)動機排氣系統(tǒng)的紅外特性分析就十分必要。本文以典型渦扇發(fā)動機雙發(fā)排氣系統(tǒng)為研究對象,計算其紅外輻射特征。

1 研究對象

典型的渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)如圖1 所示,其組成結(jié)構(gòu)有:中心錐、支板、混合器、外涵進口、低壓渦輪出口(內(nèi)涵進口)以及軸對稱噴管等[19-20]。

雙發(fā)排氣系統(tǒng)由兩臺完全相同的發(fā)動機組成,發(fā)動機軸線間距為1.76D(D 為排氣系統(tǒng)噴口直徑)?？紤]到排氣系統(tǒng)外流對噴流 流場影響較大,而對噴管內(nèi)部流場影響很小,在研究的過程中對排氣系統(tǒng)模型進行簡化,忽略雙排氣系統(tǒng)之間的機身連接部分,使得排氣系統(tǒng)由空間上相對獨立的兩個噴管組成,如圖2 所示。

2 計算方法

2.1 流場計算

由于流場的對稱性質(zhì),也為節(jié)省計算資源,提高計算效率,只對模型的四分之一進行流場計算。流場計算域的軸向長度為60D,直徑為10D,如圖3 所示。

劃分網(wǎng)格時采用分區(qū)方式,其中,體網(wǎng)格均為六面體結(jié)構(gòu),面網(wǎng)格均為四邊形結(jié)構(gòu)。對壁面附近及噴管出口處等流動較為復(fù)雜的位置進行了網(wǎng)格加密處理,遠離噴管出口處的網(wǎng)格間距逐漸增大。網(wǎng)格總數(shù)約140 萬個,經(jīng)獨立性驗證,可知流場計算結(jié)果不隨著網(wǎng)格量的增加而產(chǎn)生突變,網(wǎng)格劃分情況如圖4 所示。

2.2 紅外輻射特性計算

RMCM 法通過Ωd入射立體角空間內(nèi)隨機的發(fā)射N條射線,利用概率密度函數(shù)判斷射線的吸收點,以這N個具有統(tǒng)計意義的輻射源來代替實際的輻射源[21],其計算公式為:

其中,I為目標在某一波段內(nèi)的積分輻射強度,Ad為目標區(qū)域在垂直于探測方位平面上的投影面積,Δλ為譜帶寬度,M為光譜離散點個數(shù),Lbλ(i,λj) 為第i條隨機射線吸收點處的黑體光譜輻射亮度。

紅外輻射計算時的排氣系統(tǒng)固體壁面網(wǎng)格如圖5 所示。圖中白色網(wǎng)格為網(wǎng)格文件中原有的邊界網(wǎng)格,其他顏色的網(wǎng)格為紅外計算程序根據(jù)對稱邊界信息自動拓撲出的壁面網(wǎng)格,所有參與紅外計算的固體壁面網(wǎng)格總數(shù)為554 112。所有固體壁面均設(shè)為漫反射體,并假設(shè)其發(fā)射率不隨波長變化,計算參數(shù)如表1 所示。

由于雙發(fā)排氣系統(tǒng)不再具有軸對稱的結(jié)構(gòu),因此本文采用如圖6 所示的方式布置探測點,即以兩噴管出口連線的中點為坐標原點,噴管軸線方向單位矢量為Z軸,高度方向單位矢量為X軸,矢量為Y軸建立球坐標系,探測點布置在以探測距離為半徑的球面上。θ的取值范圍為θ=0°～90°,角度間隔Δθ=10°,φ的取值范圍為θ=0°～180°,角度間隔Δφ=10°。這樣就在排氣系統(tǒng)的后向四分之一球空間上布置了172 個探測點。排氣系統(tǒng)的飛行高度設(shè)定為11 km 與流場計算時設(shè)置的相同。

表1 紅外輻射特征計算參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 流場數(shù)值模擬

圖7 給出了排氣系統(tǒng)水平對稱面上靜壓分布。從圖中可以看出,在排氣系統(tǒng)收斂段上游區(qū)域氣流沿程的靜壓變化不大。在支板和火焰穩(wěn)定器附近有局部的低壓區(qū)域。在氣流進入收斂段后,氣流開始加速膨脹,靜壓不斷降低。當氣流從收斂段出口流出后,在引射氣流形成的柔性擴張通道內(nèi)繼續(xù)膨脹,在噴管出口處其壓強接近環(huán)境壓強,氣流趨近于完全膨脹狀態(tài)。

圖8 為水平對稱面上的馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以很清楚的看到主次流之間形成的柔性擴張通道。由于次流對主流的約束使得主流繼續(xù)減壓加速,收斂段出口處的馬赫數(shù)為0.9 左右的燃氣在所形成的柔性收擴噴管中繼續(xù)加速至超音速。在噴管出口處馬赫數(shù)達到1.7 左右。燃氣在排出噴管之后繼續(xù)膨脹加速,形成局部的高馬赫數(shù)區(qū)域。

圖9 為水平對稱面上的靜溫分布云圖。射流中的高溫核心區(qū)主要分布在噴管內(nèi)部的收斂段內(nèi);進入噴管擴張段的超聲速氣流速度急劇增加,靜溫明顯降低。在噴管出口處的高馬赫數(shù)區(qū)域,形成了局部的低溫區(qū),由于引射氣流的摻混作用,該低溫區(qū)溫度分布比較均勻。

圖10 為水平對稱面上的CO2氣體摩爾濃度分布云圖?？梢钥闯?紅外活性氣體組分的分布與靜溫分布類似,也存在明顯的核心區(qū)。在射流中溫度較高的區(qū)域,氣體組分的濃度也相應(yīng)較高,在溫度接近環(huán)境溫度時,組分的濃度接近于0。

3.2 流場數(shù)值模擬

3.2.1 不同探測方位輻射積分強度分析

圖11 為雙發(fā)排氣系統(tǒng)后半球空間無量綱積分輻射強度分布云圖,為了便于比較,圖中還給出了單發(fā)排氣系統(tǒng)的輻射強度分布。從圖中可以看出,雙發(fā)排氣系統(tǒng)紅外輻射強度在后半球空間分布不再具有軸對稱性。在接近噴管軸線的較小探測角度范圍內(nèi)成類長方形分布,而在偏離軸線較大的角度方向,成類“8”型分布。這是由于在垂直探測方向上,雙發(fā)排氣系統(tǒng)的可觀測面積較大,在水平探測方位由于尾流高溫核心區(qū)在視線方向上有部分重疊,而使得可觀測面積較小所致。

圖12 為雙發(fā)排氣系統(tǒng)在兩個探測平面上無量綱積分輻射強度對比曲線?？梢钥闯?在兩個探測面上其分布特征基本與單發(fā)排氣系統(tǒng)的類似。輻射強度最大值出現(xiàn)在排氣系統(tǒng)正后方的探測方位上。隨著探測方位偏離軸向的角度增加,水平探測面的輻射強度開始小于垂直探測面的輻射強度。在固體輻射占主導(dǎo)的方位(θ=0°～20°)上,其差別不明顯;當θ繼續(xù)增大時,氣體輻射占主要地位,兩者的差異開始變大。水平探測方位的輻射強度基本上與單發(fā)排氣系統(tǒng)的接近。從圖中還可以看出,在垂直探測面上,雙發(fā)排氣系統(tǒng)的紅外輻射強度基本上是單發(fā)排氣系統(tǒng)的一倍,因為在這些觀測方位上單發(fā)排氣系統(tǒng)的可觀測面積正好是雙發(fā)排氣系統(tǒng)的1/2,而且高溫核心區(qū)的分布也相同,雙發(fā)排氣系統(tǒng)紅外輻射強度可以看成是單發(fā)排氣系統(tǒng)的疊加。但在偏離垂直探測面的探測方位上,由于視線方向上可觀測到的高溫核心區(qū)分布不同,而且可探測面積也變小,因此在這些方位上,雙發(fā)排氣系統(tǒng)的紅外輻射不能看做是單發(fā)排氣系統(tǒng)的簡單疊加。

如圖13 所示,為θ=30°,φ=90°探測方位上單/雙發(fā)排氣系統(tǒng)紅外輻射成像特征對比。從圖中可以看出,在此探測方位上可觀測到的高溫核心區(qū)寬度基本相同,但是由于雙發(fā)排氣系統(tǒng)噴流輻射在視線方向上的疊加效應(yīng),其可觀測到的尾焰長度要比單發(fā)排氣系統(tǒng)的稍長,使得其紅外輻射強度要高于單發(fā)排氣系統(tǒng)。

3.2.2 波瓣混合器對雙發(fā)排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的抑制效果

研究了加裝波瓣混合器對雙發(fā)排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的抑制效果。圖14 為加裝波瓣混合器的雙發(fā)排氣系統(tǒng)后半球空間無量綱積分輻射強度分布與原型的對比。從圖中可以看出,在加裝了波瓣混合器后,排氣系統(tǒng)后半球空間輻射強度分布特征與原型排氣系統(tǒng)的基本類似,也呈現(xiàn)類“8”型分布,但高輻射強度區(qū)域明顯變小,而且峰值有大幅降低,所有探測方位上紅外輻射強度都得到了有效的抑制。

圖15 和圖16 分別給出了正后方探測方位與正下方探測方位上紅外成像計算結(jié)果與原型的比較?？梢钥闯?由于波瓣混合器強化了內(nèi)外涵氣流的摻混,使得噴管內(nèi)部高溫燃氣輻射明顯減少,而且由于外涵冷氣的沖刷作用,使得火焰穩(wěn)定器處固體壁面的溫度有顯著降低,與原型噴管相比,其正后方的紅外輻射亮度明顯減弱;在正下方觀測到的尾焰長度比原型噴管的要短,而且高輻射亮度區(qū)域也較小,峰值亮度也有一定的降低。

圖17 和圖18 分別為垂直探測面內(nèi)和水平探測面內(nèi)無量綱積分輻射強度與原型的對比曲線?？梢钥闯?在兩個探測面內(nèi)其抑制規(guī)律基本相似,在排氣系統(tǒng)正后方附近,抑制效果較為明顯,輻射強度有顯著的降低。隨著探測角度的增大,兩者輻射強度之間的差異開始變小。在大探測角度范圍內(nèi),水平探測面內(nèi)紅外抑制效果不是十分明顯。圖19 為兩個探測面內(nèi),積分輻射強度的降幅曲線,可以看出,采用波瓣混合器,在兩個探測面內(nèi)的所有探測方位上均使得紅外輻射有顯著降低,最大降幅達到48.7%左右。

圖20 為紅外抑制前后鎖定距離后半球空間分布的比較,圖21 和圖22 分別為垂直探測面內(nèi)和水平探測面內(nèi)鎖定距離的對比曲線。大氣條件設(shè)置為中緯度夏天,采用IR Imaging 探測器(NEI=1.0 ×10-8)進行計算。從圖中可以看出,采用紅外抑制措施后,鎖定距離的空間分布特征基本保持不變,都是成上下不對稱的分布,但在相同探測方位處,鎖定距離明顯縮短。如圖23 所示的兩個探測面內(nèi)鎖定距離的降幅曲線可知,在所有探測方位上鎖定距離均有所降低,最大降幅為29.73%。

4 結(jié)論

在垂直探測面上,雙發(fā)排氣系統(tǒng)的紅外輻射強度基本上是單發(fā)排氣系統(tǒng)的一倍。在偏離垂直探測面的探測方位上,雙發(fā)排氣系統(tǒng)的紅外輻射并不是單發(fā)排氣系統(tǒng)的簡單疊加;

采用加裝波瓣混合器紅外抑制措施后,鎖定距離的空間分布特征基本保持不變,都是成上下不對稱的分布,但在相同探測方位處,鎖定距離明顯縮短。加裝波瓣混合器可顯著降低雙發(fā)排氣系統(tǒng)的紅外輻射,輻射強度最大降低48.76%,鎖定距離最大降低29.73%。

致謝

本文受到中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金(226Z0101G)的資助,特此感謝。