塞锥形状和偏转角对轴对称塞式喷管红外特性的影响

王 旭，张靖周，单 勇

(1.江苏省航空动力系统重点实验室，南京 210016;2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016)

在20世纪，国外针对轴对称塞式喷管进行了系列的实验研究［1－6］，尤其是在20世纪60年代和90年代出现了两次研究的热潮，成果斐然。这些研究验证了塞式喷管的流动传热特征和气动性能。与传统喷管相比，轴对称塞式喷管有较高的比冲和高补偿性，质量小，可靠性高，红外抑制性能好，但较高的流动损失却限制了其广泛应用。随着技术的发展和对发动机性能要求的提高，到了21世纪，因其具有红外辐射强度低、较好的矢量控制性能和较低的排气噪声等特点，塞式喷管又一次引起国内外的关注［7－10］。

Hiley等［11］研究结果表明:双喉道塞式喷管在1.8～2.7 μm波段的红外辐射相对轴对称喷管降低90%。Millerd等［12］研究了二元塞式喷管的气动性能及红外抑制效果。陈俊等［13］研究了二元塞式喷管的红外特性。王长辉等［14］计算了在不同外流条件下的塞式喷管气动性能。郑孟伟等［15］对塞式喷管进行了数值模拟，并研究了塞式喷管的设计参数。但是，对于轴对称矢量喷管的红外特性的研究还不多见。本文对小涵道比涡扇发动机塞式矢量喷管的矢量偏转和塞锥长度对红外性能的影响进行了数值研究。

1 模型介绍

1.1 计算模型

本文研究的排气系统根据涡扇发动机排气系统结构建模，如图1所示。排气系统包括外涵、内涵、合流环、涡轮后支板、火焰稳定器、加力燃烧室、塞锥支板、塞锥、尾喷管等。内外涵气体在合流环下游自由剪切混合，混合气体经过火焰稳定器、球面段和塞锥排出。当喷管矢量偏转时，球面段后面所有结构整体以球面段的球心为中心偏转。本文研究的偏转角度分别取 0°，5°，10°，15°和20°5种情况。

尾锥伸出喷口的长度为L。本文将对4种长度的尾锥模型进行数值模拟。这4种喷管使尾锥伸出喷口的长度分别为568，710，852和994 mm，如图2所示。

图1 塞锥偏转10°时的涡扇发动机排气系统示意图

图2 塞式喷管尾锥示意图

火焰稳定器结构复杂，采用非结构化网格，其他部分均采用结构化网格。对塞锥处的网格局部加密网格。采用200万、400万和800万的网格量进行网格独立性计算，计算结果差别很小，不超过4%。采用网格量为400万的计算模型。使用Fluent软件对模型的流场进行计算。

计算高空(1100 m高度，来流马赫数为0.85，本文用11H0.85M表示)和低空(0 m高度，来流马赫数为0，本文用0H0M表示)2种情况。高空采用的边界条件如下:进口边界为质量流量入口，内涵入口的质量流量为29 kg/s，总温为850 K;外涵入口的质量流量为10 kg/s，总温为367 K。地面采用的边界条件如下:进口边界为质量流量入口，内涵入口的质量流量为100 kg/s，总温为1140 K;外涵入口的质量流量为30 kg/s，总温为470 K。两种情况均假定进口参数均匀分布。由于喷管出口处的压力并不是外界大气压力，且出口截面流动并未充分发展，所以在尾喷口出口外选取一个足够大的区域作为外场(轴向约为尾喷口直径的30倍，周向约为10倍)，其边界压力取为外界大气压力，其他变量按流向偏导数为零处理。固体壁面采用无滑移固壁边界条件。排气系统内部各部件设定为流－固耦合面，所有壁面发射率均设为0.7。在计算时加入了组分输运模型以确定排气系统的气体组分分布。假设喷管内涵入口气体为完全燃烧的燃气，成分主要是氮气、二氧化碳和水蒸气，质量分数分别为 0.70604，0.20862，0.08534;外涵入口气体为空气，成分主要为氧气和氮气，质量分数分别为0.233和0.767。对于流场计算，本文采用标准紊流模型，近壁区采用标准壁面函数。

流动与传热的控制方程采用二阶迎风差分格式离散，压力与速度耦合采用SIMPLEC算法，收敛精度为 10－6。

1.2 红外辐射计算方法

对于红外辐射特性的计算，本文采用根据逆向蒙特卡罗算法和窄谱带模型法［16］所编制的程序。其主要思想是从探测点发出光线并在一定空间立体角内离散，沿着光线与尾喷焰相交的方向，光线会一直传递下去，直到遇到喷管壁面或离开尾喷焰，如图3所示。

图3 探测光线示意图

从光线到达目标的最后一个交点开始，在能量反向到达探测点的过程中，需要求解能量辐射输运方程。

在红外辐射特性计算时探测点以发动机球面段的中心点为圆点，以喷管主轴为中心线，观测点到喷管入口原点的距离为100 m，观测点和原点的连线与喷管主轴中心线的夹角从90°变化到 －90°。所有壁面发射率均取0.7，不考虑大气吸收。

2 计算结果与分析

2.1 矢量偏转对红外特性的影响

发动机喷管的红外辐射主要组成部分是高温壁面的固体辐射。尾向所能探测到的高温部件面积越大温度越高，发动机红外辐射强度越大。图4是在0H0M情况下无偏转时内部高温部件的温度。图5是在0H0M情况下无偏转时从喷流方向反向观测到的喷管内部结构的温度。

图4 在0H0M情况下无偏转时内部高温部件的温度分布

图5 在0H0M情况下无偏转时从喷流方向反向观测到的喷管内部结构的温度

由图4、5可知:由于发动机内部中心锥，火焰稳定器等高温部件都被塞锥遮挡，从尾向很难探测到高温部件，主要探测的是塞锥尾部和套筒，所以塞式发动机内腔红外辐射强度主要受塞锥影响。塞锥尾部中心处有很大面积的低温区，红外辐射强度不高。

图6 是偏转角分别为 0°，5°，10°，15°和 20°在0H0M情况下发动机内腔的红外辐射强度。

由图6(a)可知:在无偏转的情况下，由于塞锥的遮挡，0°方向的红外辐射强度较低，在5°会出现最大的红外辐射值。随着探测角度的增加，发动机内部高温固体被有效遮挡，红外辐射强度降低。结合图6(b)～(e)可知:出现红外辐射强度最大值的角度随着喷管的矢量偏转而偏转，但红外强度最大的角度会略小于偏转角度。

图7是不同偏转角在11H0.85M情况下的红外辐射强度。

图6 在0H0M情况下不同矢量角的红外辐射强度

图7 在11H0.85M情况下不同矢量角的红外辐射强度

由图6、7可知:在11H0.85M情况下的红外辐射强度明显低于0H0M情况。这是由于内外涵温度低造成整个发动机内腔和塞锥的温度低，直接影响了红外辐射强度。但是红外辐射的分布规律和0H0M情况一样。在无偏转的情况下，由于塞锥的遮挡，0°方向的红外辐射强度较低，在5°会出现最大的红外辐射值。随着探测角度的增加，发动机内部高温固体被有效遮挡，红外辐射强度降低。结合图6(b)～(e)可知:出现红外辐射强度最大值的角度会随着喷管的矢量偏转而偏转，但是红外强度最大的角度会略小于偏转角度。

2.2 塞锥尾端长度对红外特性的影响

对4种长度的尾锥模型进行数值模拟。这4种喷管使尾锥伸出喷口的长度L分别为568，710，852和994 mm。

图8为4种塞锥在0H0M情况下的塞锥温度分布。

图8 不同长度塞锥的温度分布(0H0M)

图9为4种不同塞锥在0H0M情况下的红外辐射强度。

图9 不同长度塞锥的红外辐射强度(0H0M)

由图8、9可知:随着塞锥长度的增加，尾部尖端处的温度降低，低温区向尾部推移，半径最大处的高温区面积有所增加。在小角度(－25°～25°)范围内，塞锥长度越短红外辐射强度越高;在其他角度范围内，塞锥长度越长红外辐射强度越大。这是因为塞锥伸出的喷口的长度越大，在大角度可探测到的塞锥面积越大，故红外辐射强度越大。

图10为4种塞锥在11H0.85M情况下的温度分布。

图10 不同长度塞锥的温度分布(11H0.85M)

图11为4种不同塞锥在11H0.85M情况下的红外辐射强度。

图11 不同长度塞锥的红外辐射强度(11H0.85M)

由图10、11可知:在11H0.85M 情况下，内外涵气流温度都比0H0M情况下低，造成发动机整个内腔温度和塞锥的温度以及红外辐射强度都明显降低。但是塞锥的温度分布及红外辐射规律同在0H0M情况下相似。随着塞锥长度的增加，尾部尖端处的温度降低，低温区向尾部推移，半径最大处的高温区面积有所增加。在小角度(－25°～25°)范围内，塞锥长度越短红外辐射强度越高;在其他角度范围内，塞锥长度越长红外辐射强度越大。这是因为塞锥伸出的喷口的长度越大，在大角度可探测到的塞锥面积越大，故红外辐射强度越大。

3 结论

1)塞锥对发动机内部的高温部件进行了有效遮挡，大大降低了可探测的红外辐射强度。

2)探测到最大红外辐射的位置随着发动机喷管的矢量的偏转而偏转，但比偏转的角度小。

3)红外辐射强度的峰值随着喷管矢量偏转而略有增加。

4)在－25°～25°范围内，塞锥长度越短红外辐射强度越高;在其他角度范围内，塞锥长度越长红外辐射强度越大。

5)由于内外涵温度低，造成在11H0.85M情况下红外辐射强度明显小于0H0M情况，但规律相似。

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