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基于大涡模拟的圆转矩喷管尾喷流强化掺混机理研究

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航空发动机 2018年第2期44卷 27-34页

作者：李经警张勃张纳如吉洪湖叶留增许羚南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015

为揭示2元圆转矩喷管尾喷流强化掺混的内在机制,应用大涡模拟(LES)方程对2种相同进、出口直径的喷管模型(轴对称、2元圆转矩)在Ma=0.8、高雷诺数(2×10~5)条件下进行了数值模拟计算。结果表明:与轴对称喷管相比,圆转矩喷管射流掺混效应... 详细信息

为揭示2元圆转矩喷管尾喷流强化掺混的内在机制,应用大涡模拟(LES)方程对2种相同进、出口直径的喷管模型(轴对称、2元圆转矩)在Ma=0.8、高雷诺数(2×10~5)条件下进行了数值模拟计算。结果表明:与轴对称喷管相比,圆转矩喷管射流掺混效应增强,速度衰减快,核心区长度和高温区域面积减小。同时尾喷流拟序结构变化说明:2种喷管主要拟序结构均包含涡环、涡辫、发卡涡、螺旋涡等相似结构;但圆转矩喷管在射流近场诱导出的涡旋更丰富,边角剪切涡发展更快,形成明显的CVP结构,导致其射流柱失稳时刻提前、距离缩短;同时,喷管形式的改变使得射流剪切层内雷诺应力增大,速度脉动增强。拟序结构发展及雷诺剪切应力变化说明在射流流场中涡旋发展耗散速度增大、速度边界层脉动增强、射流柱易失稳是导致射流掺混增强的本质因素,为异形喷管的强化掺混机理提供了依据。

关键词：大涡模拟 2元喷管拟序结构雷诺应力强化掺混

圆转矩形大宽高比收敛喷管过渡型面及喷口形式对射流掺混特性的影响

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航空动力学报 2007年第3期22卷 384-389页

作者：张勃吉洪湖南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

设计了一组宽高比为8的不同形式的矩形喷口,对其尾喷流掺混特性进行了数值模拟.通过改变圆到矩形过渡段的型面,在喷管出口下缘加装下挡板以及在侧面加装挡板,得到了4种不同形式的矩形喷管模型,分别在相同边界条件下研究了它们的射流掺... 详细信息

设计了一组宽高比为8的不同形式的矩形喷口,对其尾喷流掺混特性进行了数值模拟.通过改变圆到矩形过渡段的型面,在喷管出口下缘加装下挡板以及在侧面加装挡板,得到了4种不同形式的矩形喷管模型,分别在相同边界条件下研究了它们的射流掺混特性.结果表明,加装下档板和侧档板能够有效增强射流掺混,缩短射流高温区长度.

关键词：航空航天推进系统射流矩形喷口强化掺混

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横向射流对排气系统红外辐射影响的实验研究

推进技术 2016年第6期37卷 1030-1036页

作者：何哲旺张勃吉洪湖张宗斌罗明东南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所四川成都610000

为了研究横向射流注入后飞机发动机排气系统红外辐射的变化情况,设计了不同横向射流注入方案。实验探测了在喷口处注入横向射流后,排气系统在水平探测面上,3-5μm波段内的红外辐射强度。分析了排气系统的光谱辐射强度和积分辐射强度的... 详细信息

为了研究横向射流注入后飞机发动机排气系统红外辐射的变化情况,设计了不同横向射流注入方案。实验探测了在喷口处注入横向射流后,排气系统在水平探测面上,3-5μm波段内的红外辐射强度。分析了排气系统的光谱辐射强度和积分辐射强度的变化情况,并结合速度分布图及红外热像图给出了解释。由于射流能够挤压尾喷流,提高主流剪切层脉动强度,强化其与冷气流的掺混,不同方案横向射流的注入,均能引起排气系统红外辐射强度的降低;在同一个探测面上,探测器能探测的红外辐射强度因不同射流方案对尾喷流的挤压方向不同而有较大差异,探测到的红外辐射由强到弱的方案依次：垂直注入、周向四股注入和水平注入;对尾喷流而言,相比于无横向射流注入状态,采用横向射流双股、单股垂直注入时,其红外辐射强度分别下降了60%,45%;横向射流双股、单股水平注入时,分别下降了5.1%,5.3%;采用周向四股注入时,下降了24.7%。

关键词：红外抑制轴对称收敛喷管排气系统横向射流强化掺混

横向射流相位差对排气系统气动和红外特征影响数值研究

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推进技术 2023年第5期44卷 176-186页

作者：林子强张勃张骏杨胜李伟吉洪湖南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016 中航工业沈阳飞机设计研究所辽宁沈阳110000

横向射流是降低航空发动机尾喷流在3~5µm波段上红外辐射特征的一种高效低阻的途径。本文以收敛喷管为对象,在喷口下游布置了一对上下对称的扁平横向射流孔,数值模拟研究了两股同频横向射流之间相位差(0°,90°和180°)对下游掺混与红... 详细信息

横向射流是降低航空发动机尾喷流在3~5µm波段上红外辐射特征的一种高效低阻的途径。本文以收敛喷管为对象,在喷口下游布置了一对上下对称的扁平横向射流孔,数值模拟研究了两股同频横向射流之间相位差(0°,90°和180°)对下游掺混与红外抑制的影响规律。结果表明,脉动横向射流诱导产生的流向涡强化了掺混,不同横向射流之间的相位差会使涡对出现的时间与空间复杂交错,可以充分卷吸气流,加强尾喷流与外界大气的掺混。而相位差的优化设计可以进一步提高涡对之间的掺混增益,增强红外抑制效果的作用。与Δφ=0无相位差状态相比,随着相位差增大,红外抑制效果逐渐增强。相位差为π时,掺混效果最好,高温区长度降低约14%,红外积分辐射特征最大降幅约13%,光谱辐射降幅最大可达21%,有效增强了对尾喷流的红外抑制。

关键词：航空发动机红外抑制轴对称收敛喷管尾喷流横向射流强化掺混

横流注入形式对发动机尾喷流红外辐射特性影响的数值研究

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航空动力学报 2017年第2期32卷 337-343页

作者：何哲旺张勃吉洪湖李伟南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016 中国航空发动机集团有限公司沈阳飞机设计研究所总体部沈阳110035

针对轴对称收敛喷管,在其出口设计了横向射流装置,在保持横流总流量相同且进口总温为840K的情况下,数值模拟研究了横流不同注入形式对发动机尾喷流红外辐射的抑制效果.横流的注入能够增强尾喷流与外界气流的掺混,减小高温区长度.结果表... 详细信息

针对轴对称收敛喷管,在其出口设计了横向射流装置,在保持横流总流量相同且进口总温为840K的情况下,数值模拟研究了横流不同注入形式对发动机尾喷流红外辐射的抑制效果.横流的注入能够增强尾喷流与外界气流的掺混,减小高温区长度.结果表明:周向4股注入时的掺混效果要明显弱于横流单股、双股相对注入,故其红外抑制效果也较差;在侧方探测面上,方位角大于20°时,横流单股注入与双股相对注入时的抑制效果非常接近,但后者效果稍好,其最大降幅达到71.6%;在下方探测面,两者的辐射强度均要比其在侧方探测面时大,且双股相对注入时的辐射强度与周向4股注入形式相当;在上方探测面上,相对于其他注入形式,横流单股注入时的辐射强度相对较小,最大降幅达到78.4%.

关键词：红外抑制轴对称收敛喷管尾喷流横向射流强化掺混

横向射流对发动机尾喷流掺混和红外抑制特性的影响研究

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横向射流对发动机尾喷流掺混和红外抑制特性的影响研究

作者：王治国南京航空航天大学

学位级别：硕士

航空发动机的尾喷流红外特性是现代战机设计中的一个重要因素,横向射流作为一种高效低阻的红外抑制手段,引起了学者们的广泛关注和研究。本论文基于商业软件,建立不同横向射流与尾喷流掺混模型,对其强化掺混与红外抑制特性进行了研究。... 详细信息

航空发动机的尾喷流红外特性是现代战机设计中的一个重要因素,横向射流作为一种高效低阻的红外抑制手段,引起了学者们的广泛关注和研究。本论文基于商业软件,建立不同横向射流与尾喷流掺混模型,对其强化掺混与红外抑制特性进行了研究。分析了横向射流布置形式,入射角度,旋流,频率特征以及与尾喷流的频率耦合优化等对尾喷流红外辐射特征的影响规律。研究表明,采用对称布置双扁平孔模型能增强与尾流场的流动掺混,抑制其红外辐射特征。与尾喷流来流方向所夹为钝角的横向射流诱导产生的截面涡向尾喷流中心靠拢,吸引环境冷流参与流场的掺混降温。旋流的形成有利于增强对冷流的卷吸,降低尾喷流核心区长度,提高红外抑制效果。研究也表明,当脉冲横向射流振幅增大时,对尾喷流的红外抑制效果增强。研究发现,当频率太低或太高时,射流诱导产生的涡流在时间和空间分布上不利于促进与尾喷流的强化掺混。在横向射流频率与主流频率接近时,横向射流的掺混效果增强。结合飞机后体,研究了Ma=0.8的飞行状态下横向射流对尾喷流流动掺混和红外辐射特征的影响。结果表明飞机来流使尾喷流长度增大,红外辐射特征增强。且由于横向射流的影响,飞机后体的静压有所降低,后体阻力有一定的增大。

关键词：横向射流红外抑制飞机后体预旋强化掺混

横向射流入射对喷管尾喷流红外辐射及掺混特征的影响研究

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横向射流入射对喷管尾喷流红外辐射及掺混特征的影响研究

作者：李经警南京航空航天大学

学位级别：硕士

论文针对航空发动机尾喷流红外抑制技术,在尾喷口下游引入横向射流,从而强化尾喷流的掺混和红外抑制效果。针对横流入射方式,频率变化以及其与主流频率的匹配关系进行了数值分析与实验研究。首先从尾喷流核心区长度、高温区域面积、3μ... 详细信息

论文针对航空发动机尾喷流红外抑制技术,在尾喷口下游引入横向射流,从而强化尾喷流的掺混和红外抑制效果。针对横流入射方式,频率变化以及其与主流频率的匹配关系进行了数值分析与实验研究。首先从尾喷流核心区长度、高温区域面积、3μm波段红外辐射强度等方面对其宏观效果进行了比较分析,进一步利用大涡模拟算法,从横向射流穿透卷吸深度、拟序结构发展过程、雷诺剪切应力瞬态变化特征等角度分析了横向射流注入后对掺混特性的影响规律,初步揭示了横向射流在不同入射形式下对尾喷流流动掺混和红外辐射特征的影响机制,最后通过实验对不同条件下尾喷流速度场分布及横流入射后雷诺剪切应力的变化验证了本文数值模拟结果。研究结果表明:(1)与轴对称喷管相比,圆转矩喷管尾喷流速度衰减快,核心区长度、高温区面积以及在不同探测面的红外辐射强度均有减小;拟序结构发展和剪切层内雷诺剪切应力变化说明射流流场中涡旋发展耗散速度快、速度边界层脉动强、射流柱易失稳等因素是导致射流核心区长度减小,掺混增强的内在原因。(2)横向射流注入后,尾喷流核心区长度与高温区域面积有明显减小,红外抑制效果也进一步提高。横向射流强化掺混的机制是诱导出CVP结构(反向旋转涡对),其使得流场涡旋发展耗散速度加快,剪切应力峰值与带宽也随之增加,有效地增强了流场的能量耗散效率和射流剪切层的脉动特征;而CVP结构的作用效果与其穿透深度成正相关,卷吸穿透越深,剪切层脉动就越剧烈,强化掺混效果越好,且CVP结构的涡旋强度和穿透深度随横流入射动量比的增大而增加。(3)横向射流稳态入射结果表明,横流入射孔形状变化对强化掺混和红外抑制效果的影响很大,矩形孔强化效果最好,方孔其次,圆孔最弱,这是由于孔的几何形状的变化强化了涡旋的扩展范围和耗散速度。且横流孔排列方式的结果也说明,就轴对称喷管而言,横流垂直对称两股入射的掺混效果最好,其高温核心区长度、面积以及3μm波段红外辐射强度均最小,单股入射次之,而周向四股入射效果最差;圆转矩喷管模型的研究结果也表明,横向射流宽边入射时的强化掺混效果强于窄边入射,同样是垂直对称两股入射强于单股入射,周向四股入射的掺混效果较差。(4)横向射流脉动入射结果表明,在本文模拟范围St≤0.25,横流脉动入射的强化掺混效果好于稳态入射模型,且随横流脉动频率f的增加,掺混进一步增强;拟序结构说明横流脉动入射会强化射流柱的不稳定振荡模式,在射流柱出口近场会存在一个速度剪切层剧烈脉动的区域,这导致横流产生的CVP结构向内卷吸穿透的范围更大更深;在多股横流脉动入射时,其相位差的优化匹配有利于进一步强化掺混。(5)与横流稳态入射和横流单一脉动入射模型相比,横流与尾喷流耦合脉动入射时的强化掺混和红外抑制效果会进一步提高,这是由于耦合脉动入射使得核心区内的涡旋更丰富,结构更不规则,涡旋更易缠绕搭接,耗散率更高。(6)使用热线风速仪在几何、流动相似条件下开展试验,得到了轴对称喷管、二元喷管、轴对称单股入射喷管的尾喷流速度场、剪切应力分布情况,表明了上述数值模拟结果的可靠性,并对模拟中剪切应力分布揭示的掺混机理进行了验证。

关键词：横向射流尾喷流红外抑制强化掺混入射方式耦合脉动热线风速仪雷诺剪切应力

加力燃烧室锯齿冠状混合器掺混和燃烧特性研究

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加力燃烧室锯齿冠状混合器掺混和燃烧特性研究

作者：王亚盟南京航空航天大学

学位级别：硕士

采用锯齿冠状混合器来强化内外涵气流的掺混是提高加力燃烧室燃烧效率的重要手段之一。本文将锯齿冠状混合器三维流场气动计算和采用合理燃烧模型的燃烧特性计算有机结合,对锯齿冠状混合器的气动特性和燃烧特性进行了数值计算。在混合... 详细信息

采用锯齿冠状混合器来强化内外涵气流的掺混是提高加力燃烧室燃烧效率的重要手段之一。本文将锯齿冠状混合器三维流场气动计算和采用合理燃烧模型的燃烧特性计算有机结合,对锯齿冠状混合器的气动特性和燃烧特性进行了数值计算。在混合器的气动计算中,将运用FLUENT软件计算所得到的模拟结果与公开的实验结果进行了对比分析,二者的流场特征吻合良好。通过对混合器流场的三维数值计算,获得了相关的流场特征,并借助实验手段验证了计算方法的可靠性。重点分析了内倾锯齿混合器、外倾锯齿混合器和交错锯齿混合器的流向涡结构、热混合效率、外圈火焰稳定器入口温度、总压恢复系数等特征参数。研究结果表明,由于锯齿结构所诱导的流向涡的存在,锯齿混合器能够以较小的压力损失为代价,在下游相对较短的掺混距离内获得较高的热混合效率。内倾锯齿混合器对外圈稳定器入口温度的提高有消极的影响,而上偏锯齿和交错锯齿混合器对提高外圈稳定器入口温度效果明显。综合考虑以上因素,分析认为交错锯齿混合器性能相对较优。计算比较了四种供油方案下,采用交错锯齿混合器的加力燃烧室燃烧特性。结果表明:交错锯齿混合器的燃烧效率明显高于环形混合器,最多可以高出14.9%;燃油的初始温度对燃烧效率影响显著,合理范围内较高的初始温度会带来较高的燃烧效率。

关键词：锯齿冠状混合器强化掺混热混合效率总压恢复系数燃烧效率

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不同形式喷管流动与红外抑制特性数值分析

红外技术 2017年第10期39卷 958-965页

作者：廖华琳张勃邓庆晃吉洪湖江苏省航空动力系统重点实验室南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016 成都燃气涡轮研究院总体室四川成都601500

本文针对涡扇发动机,设计了等进口、出口面积,等长度的轴对称、矩形与S弯收敛喷管(出口宽高比W/H=4),在相同的内、外涵进口、出口参数下,数值分析了其流动、换热与红外辐射强度分布特性。比较得出,S弯喷管在矩形喷管基础上,进一步强化... 详细信息

本文针对涡扇发动机,设计了等进口、出口面积,等长度的轴对称、矩形与S弯收敛喷管(出口宽高比W/H=4),在相同的内、外涵进口、出口参数下,数值分析了其流动、换热与红外辐射强度分布特性。比较得出,S弯喷管在矩形喷管基础上,进一步强化了二次流流动,增强了掺混,使得热喷流温度衰减增强;S弯壁面对进口高温部件形成有效遮挡,有效降低了红外辐射强度。水平探测面上,不同喷管红外辐射强度分布相似,S喷管量值最小,而在垂直探测面上,S弯喷管最大值出现高度角为20°时,这是由于尾喷流的向上偏转导致的。相比轴对称喷管,在喷管正后方,矩形喷管红外辐射强度降低23.1%,S弯喷管降低89.7%。

关键词：红外抑制轴对称喷管矩形喷管 S弯喷管强化掺混