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文中计算了3种排气系统与飞机后体组合模型的流场和红外辐射特征,这3种模型均采用相同的计算域和边界条件。
计算域为圆柱体,其直径取10
$ {D_{10}} $ ,长度取60$ {D_{10}} $ ,$ {D_{10}} $ 为后体截面开始处的直径,如图5所示。所有计算状态均取高空飞行状态,飞行高度11 km,飞行马赫数0.8,对应的环境压力
$ {P_0} $ 为22621 Pa,温度为217 K。图5中外流场设置为压力远场,压力、温度为环境大气的压力、温度。内、外涵进口均为压力进口,总温、总压和介质的组分浓度如表1所示。
$ {P_t}/{P_0} $ $ {T_t} $(K) ${Y_{\rm C{ O_2} } }$ ${Y_{ \rm {H_2}O} }$ ${Y_{\rm CO} }$ Core inlet 4.64 850 0.066 0.025 0.0001 Bypass inlet 4.60 350 − − − Table 1. Boundary conditions
表中
$ {P_t} $ 和$ {T_t} $ 表示压力入口总温和总压,${Y_{\rm C{O_2}}}$ 、${Y_{\rm {H_2}O}}$ 和${Y_{\rm CO}}$ 分别表示燃气中CO2、H2O和CO的组分质量浓度。排气系统外表面与后体内表面之间空腔的进口压力和温度为环境大气和环境温度,腔内充满空气,与排气系统内表面和外表面之间存在自然对流,边界条件为耦合传热边界条件。同时考虑排气系统外壁面和后体内表面之间辐射换热,壁面发射率均取0.9。
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表2给出了三种组合模型在表1给定的边界条件下的流量和推力特性。
Baseline axisymmetric
exhaust system2D exhaust system 2D exhaust system
with FSGVCd 0.991 0.978 0.962 Cf 0.976 0.973 0.96 Table 2. Flow and thrust characteristic
从上表可以看出:比较三种组合模型流量系数Cd,装配全遮挡导流支板以后,对比二元排气系统和基准轴对称排气系统,均有所下降,降幅分别为1.6%和2.9%。比较三种组合模型推力系数Cf,装配全遮挡导流支板以后,对比二元排气系统和基准轴对称排气系统,均有所下降,降幅分别为1.3%和1.6%。可见装配了全遮挡导流支板对排气系统气动性能有一定的影响,但经过改型设计以后,影响较小。
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喷管产生推力的同时,在后体外壁面还会产生外部阻力,外部阻力包括压差阻力和摩擦阻力两部分。
分别计算了三种组合模型的后体外表面阻力情况,并结合图9后体外表面的压力云图进行分析。表3给出了在表1给定条件下的后体阻力,分析结果可知,压差阻力在外部阻力当中占主要部分,轴对称排气系统与后体组合模型外部阻力最小,采用相同后体设计方法的二元排气系统与后体组合模型外壁面阻力大致相当。
Pressure resistance/N Viscous resistance/N Total resistance/N Baseline axisymmetric exhaust system 773.008 289.171 1062.172 2D exhaust system 810.568 298.350 1108.918 2D exhaust system with FSGV 819.465 289.172 1108.638 Table 3. Resistance of rear body external surface
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图10给出了三种组合模型CO2中间截面温度场示意图。由图可知,轴对称排气系统的燃气流高温核心区较长,二元排气系统中间对称面上的燃气流高温核心区缩短,带全遮挡导流支板的二元排气系统高温核心区最短,温度比较高的燃气位于喷管内部和射流区域,并且射流的高温区只在轴线附近,射流的扩散比较缓慢。在喷管内部,温度较高,在800 K左右。
图11给出了三种组合模型在收扩喷管段的沿程壁面温度分布,并结合掺混度进行分析。三种排气系统的掺混度分别为0.483、0.513、0.545。基准轴对称与二元相比,由于二元收扩喷管在喉道处型面的急剧变化,导致热混合度相差0.03;二元与全遮挡导流支板相比,热混合度相差0.032,由此可见导流支板增强了内涵高温气流和外涵低温气流之间的掺混。
三种组合模型收扩喷管段壁面沿程温度分布规律相差很大。基准轴对称排气系统与后体组合模型在收扩喷管段壁面沿程温度几乎不变,平均温度为385 K,而二元排气系统与后体组合模型收扩喷管段壁面沿程温度有明显的上升,平均温度为504 K,带导流支板的二元排气系统与后体组合模型收扩喷管段壁面平均温度为552 K。与各喷管的掺混度对比分析可见,掺混度越高,喷管壁面的温度越高。
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组分浓度场分布与温度场分布类似,温度越高的区域组分浓度越高,这是因为组分场的求解方程与能量场的求解方程相似。图12给出了三种排气系统对称面上的CO2浓度场分布,其余组分CO、H2O等分布规律与CO2分布基本类似,在此不做细述。
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图13给出了三种组合模型在水平探测面内的积分辐射强度分布的对比,并取基准轴对称排气系统与后体组合模型在0°方向积分辐射强度值作为参考值进行了无量纲化处理。
从图中可观察到,总体来说基准轴对称排气系统与后体组合模型的红外辐射强度最大,二元排气系统与后体组合模型和带全遮挡导流支板的二元排气系统与后体组合模型的红外辐射强度相对基准轴对称与后体组合模型在0°方向红外辐射强度分别降低22.1%和46.9%;带全遮挡导流支板的二元排气系统与后体组合模型相对二元排气系统与后体组合模型在0°方向红外辐射强度降低31.8%。
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为了分析导致图13结果的原因,分别计算了三种组合模型固体部件辐射对排气系统辐射的贡献。图14、图15、图16分别给出了三种组合模型的主要部件在水平探测面内的红外辐射贡献,为便于比较,均采用基准轴对称排气系统与后体组合模型在α=0°时的积分辐射强度值作为参考值对辐射贡献进行了无量纲化处理。
Figure 14. Radiation intensity of main component of the baseline axisymmetric exhaust system combined with rear body model
Figure 16. Radiation intensity of main component on horizonta detection surface of the 2D exhaust system with FSGV combined with rear body model
经分析可知,组合模型内部的高温部件仅在尾向小角度观测范围内有辐射贡献,所以这里只给出了组合模型尾向0°~30°观测范围内, 3~5 μm波段主要部件积分辐射强度。
图14给出了基准轴对称排气系统与后体组合模型的各部件红外辐射贡献。发现在观测角度范围内中心锥的红外辐射贡献最大,末级涡轮的红外辐射贡献紧随其后,火焰稳定器、支板和混合器也有一定的辐射贡献,而后体外壁面的辐射贡献几乎可以忽略。
图15给出了二元排气系统与后体组合模型的各部件红外辐射贡献。对比图14发现,中心锥的红外辐射强度下降19.5%,末级涡轮的红外辐射强度下降1.2%。出现下降的原因主要是由于二元收扩喷管遮挡了喷管内部的中心锥和末级涡轮等高温部件。
Figure 15. Radiation intensity of main component on horizontal detection surface of the 2D exhaust system combined with rear body model
图16给出了带全遮挡导流支板的二元排气系统与后体组合模型的各部件红外辐射贡献。对比图15发现,中心锥与末级涡轮的红外辐射强度均出现明显下降,在0°方向,中心锥的红外辐射强度下降56.8%,末级涡轮的红外辐射强度几乎下降到0,全遮挡导流支板起到了对高温涡轮的遮挡作用。需要进一步指出,由图13可知,在0°方向,带全遮挡导流支板的二元排气系统与后体组合模型的红外辐射强度相比基准轴对称排气系统与后体组合模型下降46.9%,而在图16当中,0°方向积分辐射值总和相比基准轴对称排气系统与后体组合模型下降50.5% ,这是由于一些部件的红外辐射强度未考虑在内,比如收扩喷管段温度的增加(详见5.1.3节)。
但也产生一个新问题,全遮挡导流支板同样处于高温燃气流中,因此在利用自身几何结构遮挡上游末级涡轮红外辐射的同时也变成了一个新的主要红外辐射源。
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为了进一步降低带全遮挡导流支板二元排气系统与后体组合模型的红外辐射强度,计算分析了全遮挡导流支板壁面降温对支板辐射贡献和排气系统辐射特性的影响。
图17给出了组合模型尾向0°~25°观测方向上,全遮挡导流支板分别平均降温100 K和200 K条件下的红外辐射贡献与不降温条件下辐射贡献比较。采用全遮挡导流支板在α=0°时的积分辐射强度值作为参考值对辐射贡献进行了无量纲化处理。
若支板降温采用气膜冷却技术,平均降温100 K和200 K分别对应着气膜冷却效果0.282和0.482。气膜冷却平均冷却效果
$ \eta $ 表达式如下:式中:
$ {\bar T_g} $ 表示内涵燃气流平均温度;$ {\bar T_c} $ 表示作为冷却剂的外涵气体平均温度;$ {\bar T_w} $ 表示支板壁面平均温度。从图17可以看出,壁面冷却后全遮挡导流支板的红外辐射贡献随着气膜冷却效果的增加在尾向0°~25°范围内明显降低;在0°观测方向,当支板壁面冷却效果达到0.282和0.482时,支板的红外辐射贡献相比未冷却状态降幅分别为30.3%和52.85%。
图18给出了装配导流支板的二元排气系统与后体组合模型在支板对应不同冷却效果情况下,全遮挡导流支板二元排气系统与后体组合模型的红外辐射强度比对,采用基准轴对称排气系统与后体组合模型在α=0°时的积分辐射强度值作为参考值进行了无量纲化处理。
Figure 18. Comparison of radiation intensity of 2D exhaust system with FSGV and combined with rear body model when the vane is cooling
由图18可观察到,当支板壁面平均冷却效果达到0.282和0.482时,全遮挡导流支板二元排气系统组合模型的红外辐射强度相比未冷却状态的降幅分别为20.4%和35.45%。结合5.2.1节,对比基准轴对称排气系统与后体组合模型,在0°观测方向积分辐射强度分别降低58.47%和66.32%。
Numerical study of fluid flow, heat transfer and infrared signature of 2D exhaust system model with full shielded guide vane combined with rear body
doi: 10.3788/IRLA20210965
- Received Date: 2021-12-16
- Rev Recd Date: 2022-01-17
- Publish Date: 2022-09-28
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Key words:
- fully shielding guide vane /
- 2D exhaust system /
- aircraft rear body /
- infrared radiation
Abstract: In order to reduce the contribution of the last-stage turbine of the infrared radiation in backward of the exhaust system, the full shielding guide vane(FSGV) is designed to achieve full shielding of the low-pressure turbine. Numerical simulation methods are used to study fluid flow heat transfer and infrared signature of three exhaust system (including baseline axisymmetric exhaust system,2D exhaust system and 2D exhaust system with FSGV) models combined with aircraft rear body, revealing the general rule of infrared radiation characteristics in the 3-5 μm band in backward of the three different combined models; the results show that compared with the baseline axisymmetric exhaust system model combined with aircraft rear body, whether it is a 2D exhaust system model combined with aircraft rear body or 2D exhaust system model with FASG model combined with aircraft rear body, the infrared radiation intensity has been reduced, and the drop rates are 22.1% and 46.9% respectively at a detection angle of 0°. If the cooling technology is adopted for the FSGV, as long as cooling efficiency reaches 0.282 and 0.482, compared to uncooled state of the exhaust system, the infrared radiation in backward of the exhaust system can be reduced by 20.4% and 35.45%.