排气系统热端部件降温红外抑制研究

论文摘要

近年来,随着雷达隐身技术的发展,红外探测和制导技术受到世界各军事强国的特别重视,相关技术得到了快速发展。红外搜索跟踪系统已成为除雷达外对作战飞行器的另一个巨大威胁。发动机排气系统热端部件是军用飞行器的一个重要红外辐射源,因此,对排气系统热端部件的相关红外抑制技术进行探索与研究,最大限度降低高温部件的红外辐射强度,对于提高未来我国军用飞行器的战场生存能力等有重要意义。本文以某型航空发动机作为研究对象,通入外部冷却气流对发动机热端部件进行降温,以达到降低排气系统热端部件红外辐射强度的目的。本文首先在对红外抑制相关技术了解和掌握的基础上,根据该型发动机的结构和设计条件下的工作状况,制定了初步的气膜冷却降温方案。通过运用商业CFD软件对发动机排气系统原型流场进行数值模拟,获得热端部件表面的流场参数,再用得到的气流参数作为气膜设计初始参数。通过大量的数值模拟和工程计算,研究不同气膜孔直径、X/D值、出流夹角以及不同冷气压力情况下的热端部件流场分布情况,探索出了适合该型发动机热端部件的气膜冷却方案,并对内锥体进行了相应的冷却改型设计。为了与试验结果进行对比验证,本文根据经验公式采用一维工程计算方法,设计了一套程序对气膜冷却下的内锥体壁面温度及3～5μm波段内红外辐射强度进行了计算。根据气膜冷却降温方案,加工出相应的排气系统热端部件,装配发动机并对改型后的发动机进行了整机红外隐身原理试验。最后将计算结果与试验结果进行比对,验证文中的气膜冷却设计方案对热端部件红外辐射抑制的效果。本文通过数值模拟和试验两种方法对发动机排气系统热端部件的红外抑制技术进行了相关研究,探索出了一套在热端部件气膜冷却工程设计方法,并根据该方法进行了试验研究与验证。研究结果表明,气膜冷却能在不影响发动机正常工作的情况下,能有效降低排气系统的红外辐射强度,对军用飞行器的红外抑制有较显著的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及名称
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题名称
• 1.2 课题研究的工程背景及意义
• 1.2.1 飞行器红外隐身的重要性
• 1.2.2 热端部件红外抑制是飞行器红外隐身的主要途径
• 1.3 国内外排气系统红外抑制研究概况与发展趋势
• 1.3.1 遮挡技术红外抑制研究
• 1.3.2 强化排气掺混技术红外抑制研究
• 1.3.3 粉末气溶胶红外抑制研究
• 1.3.4 排气系统红外抑制技术发展趋势
• 1.4 本文的主要研究内容与技术路线
• 2 排气系统热端部件的红外辐射问题
• 2.1 热端部件降温红外抑制基本理论
• 2.1.1 红外辐射基本理论
• 2.1.2 热端部件降温红外抑制原理
• 2.2 发动机排气系统热端部件结构及工作条件
• 2.2.1 排气系统结构
• 2.2.2 排气系统工作条件
• 2.3 热端部件降温红外抑制的关键技术问题
• 2.3.1 冷却方式的选择
• 2.3.2 气膜方案的设计
• 3 排气系统原型的流场数值模拟
• 3.1 发动机排气系统的流场研究方法
• 3.2 排气系统数学模型
• 3.2.1 流动控制方程
• 3.2.2 湍流模型
• 3.2.3 数值模拟方法
• 3.2.4 流场的求解方法
• 3.3 流场数值模拟方法及软件
• 3.4 排气系统的流场计算域建模及网格划分
• 3.4.1 流场计算域建模
• 3.4.2 网格划分
• 3.5 边界条件
• 3.6 数值模拟的收敛判据
• 3.7 流场数值模拟计算结果及分析
• 4 内锥体气膜冷却红外辐射计算
• 4.1 气膜冷却孔数值模拟计算
• 4.2 气膜冷却孔设计
• 4.3 壁温计算
• 4.4 红外辐射计算
• 5 数值模拟与试验比较分析
• 5.1 试验简述
• 5.1.1 试验系统
• 5.1.2 测量方法
• 5.2 试验数据分析
• 5.2.1 温度分布
• 5.2.2 冷气降温效果
• 结论
• 参考文献
• 致谢