發(fā)布時間：2020-08-12 14:53

【摘要】：論文針對航空發(fā)動機(jī)尾噴流紅外抑制技術(shù),在尾噴口下游引入橫向射流,從而強(qiáng)化尾噴流的摻混和紅外抑制效果。針對橫流入射方式,頻率變化以及其與主流頻率的匹配關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究。首先從尾噴流核心區(qū)長度、高溫區(qū)域面積、3~5μm波段紅外輻射強(qiáng)度等方面對其宏觀效果進(jìn)行了比較分析,進(jìn)一步利用大渦模擬算法,從橫向射流穿透卷吸深度、擬序結(jié)構(gòu)發(fā)展過程、雷諾剪切應(yīng)力瞬態(tài)變化特征等角度分析了橫向射流注入后對摻混特性的影響規(guī)律,初步揭示了橫向射流在不同入射形式下對尾噴流流動摻混和紅外輻射特征的影響機(jī)制,最后通過實(shí)驗(yàn)對不同條件下尾噴流速度場分布及橫流入射后雷諾剪切應(yīng)力的變化驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬結(jié)果。研究結(jié)果表明:(1)與軸對稱噴管相比,圓轉(zhuǎn)矩噴管尾噴流速度衰減快,核心區(qū)長度、高溫區(qū)面積以及在不同探測面的紅外輻射強(qiáng)度均有減小;擬序結(jié)構(gòu)發(fā)展和剪切層內(nèi)雷諾剪切應(yīng)力變化說明射流流場中渦旋發(fā)展耗散速度快、速度邊界層脈動強(qiáng)、射流柱易失穩(wěn)等因素是導(dǎo)致射流核心區(qū)長度減小,摻混增強(qiáng)的內(nèi)在原因。(2)橫向射流注入后,尾噴流核心區(qū)長度與高溫區(qū)域面積有明顯減小,紅外抑制效果也進(jìn)一步提高。橫向射流強(qiáng)化摻混的機(jī)制是誘導(dǎo)出CVP結(jié)構(gòu)(反向旋轉(zhuǎn)渦對),其使得流場渦旋發(fā)展耗散速度加快,剪切應(yīng)力峰值與帶寬也隨之增加,有效地增強(qiáng)了流場的能量耗散效率和射流剪切層的脈動特征;而CVP結(jié)構(gòu)的作用效果與其穿透深度成正相關(guān),卷吸穿透越深,剪切層脈動就越劇烈,強(qiáng)化摻混效果越好,且CVP結(jié)構(gòu)的渦旋強(qiáng)度和穿透深度隨橫流入射動量比的增大而增加。(3)橫向射流穩(wěn)態(tài)入射結(jié)果表明,橫流入射孔形狀變化對強(qiáng)化摻混和紅外抑制效果的影響很大,矩形孔強(qiáng)化效果最好,方孔其次,圓孔最弱,這是由于孔的幾何形狀的變化強(qiáng)化了渦旋的擴(kuò)展范圍和耗散速度。且橫流孔排列方式的結(jié)果也說明,就軸對稱噴管而言,橫流垂直對稱兩股入射的摻混效果最好,其高溫核心區(qū)長度、面積以及3~5μm波段紅外輻射強(qiáng)度均最小,單股入射次之,而周向四股入射效果最差;圓轉(zhuǎn)矩噴管模型的研究結(jié)果也表明,橫向射流寬邊入射時的強(qiáng)化摻混效果強(qiáng)于窄邊入射,同樣是垂直對稱兩股入射強(qiáng)于單股入射,周向四股入射的摻混效果較差。(4)橫向射流脈動入射結(jié)果表明,在本文模擬范圍St≤0.25,橫流脈動入射的強(qiáng)化摻混效果好于穩(wěn)態(tài)入射模型,且隨橫流脈動頻率f的增加,摻混進(jìn)一步增強(qiáng);擬序結(jié)構(gòu)說明橫流脈動入射會強(qiáng)化射流柱的不穩(wěn)定振蕩模式,在射流柱出口近場會存在一個速度剪切層劇烈脈動的區(qū)域,這導(dǎo)致橫流產(chǎn)生的CVP結(jié)構(gòu)向內(nèi)卷吸穿透的范圍更大更深;在多股橫流脈動入射時,其相位差的優(yōu)化匹配有利于進(jìn)一步強(qiáng)化摻混。(5)與橫流穩(wěn)態(tài)入射和橫流單一脈動入射模型相比,橫流與尾噴流耦合脈動入射時的強(qiáng)化摻混和紅外抑制效果會進(jìn)一步提高,這是由于耦合脈動入射使得核心區(qū)內(nèi)的渦旋更豐富,結(jié)構(gòu)更不規(guī)則,渦旋更易纏繞搭接,耗散率更高。(6)使用熱線風(fēng)速儀在幾何、流動相似條件下開展試驗(yàn),得到了軸對稱噴管、二元噴管、軸對稱單股入射噴管的尾噴流速度場、剪切應(yīng)力分布情況,表明了上述數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,并對模擬中剪切應(yīng)力分布揭示的摻混機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V231
【圖文】：

第一章 緒論1.1 研究背景與意義在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制空權(quán)的獲取已成為贏得戰(zhàn)爭的一個關(guān)鍵因素，相應(yīng)地各國對飛行器及航空發(fā)動機(jī)的要求也越來越高，如針對四代機(jī)提出的獨(dú)有的 4S 性能（超音速巡航、超視距攻擊、高機(jī)動以及高隱身），以及圖 1.2 所示的高性能航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度進(jìn)一步升高。而根據(jù)上世紀(jì) 80 年代以來歷次戰(zhàn)爭的有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在被擊落飛機(jī)中總數(shù)的 70%～80%是由紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈造成的[1-2]。在這種背景下，提高飛機(jī)的紅外隱身效果是一種可以有效提高飛機(jī)作戰(zhàn)效能及戰(zhàn)場生存率的有力方式[3]。紅外輻射特性研究結(jié)果表明[4]：固定翼飛行器的紅外輻射源包括機(jī)體外表面、發(fā)動機(jī)腔體及尾噴流三個部分。當(dāng)飛行 Ma 小于 1.5 時，外表面蒙皮溫度較低，排氣系統(tǒng)成為主要輻射源，尤其是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)尾噴流溫度很高，是 3～5μm 波段紅外輻射的主要來源[5][6]，而目前使用的紅外制導(dǎo)或者紅外探測系統(tǒng)的探測器大多是以 3～5μm 波段為主要工作波段[7][8]。因此降低尾噴流溫度，是改善發(fā)動機(jī)整體紅外輻射特性及實(shí)現(xiàn)紅外隱身的有效手段。

第一章 緒論1.1 研究背景與意義在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制空權(quán)的獲取已成為贏得戰(zhàn)爭的一個關(guān)鍵因素，相應(yīng)地各國對飛行器及航空發(fā)動機(jī)的要求也越來越高，如針對四代機(jī)提出的獨(dú)有的 4S 性能（超音速巡航、超視距攻擊、高機(jī)動以及高隱身），以及圖 1.2 所示的高性能航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度進(jìn)一步升高。而根據(jù)上世紀(jì) 80 年代以來歷次戰(zhàn)爭的有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在被擊落飛機(jī)中總數(shù)的 70%～80%是由紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈造成的[1-2]。在這種背景下，提高飛機(jī)的紅外隱身效果是一種可以有效提高飛機(jī)作戰(zhàn)效能及戰(zhàn)場生存率的有力方式[3]。紅外輻射特性研究結(jié)果表明[4]：固定翼飛行器的紅外輻射源包括機(jī)體外表面、發(fā)動機(jī)腔體及尾噴流三個部分。當(dāng)飛行 Ma 小于 1.5 時，外表面蒙皮溫度較低，排氣系統(tǒng)成為主要輻射源，尤其是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)尾噴流溫度很高，是 3～5μm 波段紅外輻射的主要來源[5][6]，而目前使用的紅外制導(dǎo)或者紅外探測系統(tǒng)的探測器大多是以 3～5μm 波段為主要工作波段[7][8]。因此降低尾噴流溫度，是改善發(fā)動機(jī)整體紅外輻射特性及實(shí)現(xiàn)紅外隱身的有效手段。

由紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈造成的[1-2]。在這種背景下，提高飛機(jī)的紅外隱身效果是一種可以有效提高飛機(jī)作戰(zhàn)效能及戰(zhàn)場生存率的有力方式[3]。紅外輻射特性研究結(jié)果表明[4]：固定翼飛行器的紅外輻射源包括機(jī)體外表面、發(fā)動機(jī)腔體及尾噴流三個部分。當(dāng)飛行 Ma 小于 1.5 時，外表面蒙皮溫度較低，排氣系統(tǒng)成為主要輻射源，尤其是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)尾噴流溫度很高，是 3～5μm 波段紅外輻射的主要來源[5][6]，而目前使用的紅外制導(dǎo)或者紅外探測系統(tǒng)的探測器大多是以 3～5μm 波段為主要工作波段[7][8]。因此降低尾噴流溫度，是改善發(fā)動機(jī)整體紅外輻射特性及實(shí)現(xiàn)紅外隱身的有效手段。圖 1.1 典型四代戰(zhàn)機(jī) F-22“猛禽” 圖 1.2 不同型號發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度發(fā)展

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2790678