盧浩浩，吉洪湖，劉 健，王 浩，王 丁

涵道比對(duì)二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)紅外特征影響的實(shí)驗(yàn)研究

盧浩浩，吉洪湖，劉 健，王 浩，王 丁

（南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016）

通過(guò)改變外涵流量，實(shí)驗(yàn)研究了涵道比0.3和1時(shí)，相同結(jié)構(gòu)的二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)幾何偏轉(zhuǎn)0°、10°、20°三種模型下壁面溫度與紅外輻射特征分布。結(jié)果表明：涵道比1相對(duì)涵道比0.3時(shí)，排氣系統(tǒng)火焰穩(wěn)定器下游壁面溫度具有較大降幅，隔熱屏、收斂段、側(cè)壁、擴(kuò)張段壁面溫度分別降低170K、317K、227K和153K；涵道比0.3時(shí)，隨著幾何偏角增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度增大，最大增幅70.2%；但涵道比1時(shí)，正好相反，隨著幾何偏角增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度下降，最大降幅65%。涵道比增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射特征下降，幾何偏轉(zhuǎn)0°、10°、20°時(shí)，正尾向分別降低33.3%、42.1%、60.9%。

二元俯仰噴管；涵道比；矢量偏轉(zhuǎn)；紅外隱身

0 引言

近些年來(lái)，紅外探測(cè)和制導(dǎo)技術(shù)受到各軍事強(qiáng)國(guó)的重視，相關(guān)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，如機(jī)載紅外搜索跟蹤器探測(cè)距離已達(dá)200km[1]，與雷達(dá)探測(cè)距離相當(dāng)，飛行器受到的紅外威脅急劇增大，為此急需發(fā)展帶隱身能力的飛行器。國(guó)外早已有此類飛行器，如F117、B2、F22等等，但相關(guān)的紅外隱身技術(shù)研究卻未公開(kāi)，為此國(guó)內(nèi)也有眾多學(xué)者對(duì)飛行器及其排氣系統(tǒng)展開(kāi)了研究。

對(duì)于飛行器蒙皮輻射，主要是8～14mm波段輻射，林杰[2]、黃偉[3]、馮云松[4]等研究了發(fā)射率、環(huán)境背景等因素對(duì)飛行器蒙皮表面紅外輻射特征的影響。對(duì)于3～5mm中波波段主要是排氣系統(tǒng)的輻射。采用異型噴管如二元噴管[5]、帶遮擋的二元噴管[6]、S型噴管[7]、塞式噴管[8]等可以有效地遮擋排氣系統(tǒng)內(nèi)部高溫部件，降低紅外輻射。王殿磊[9]、張勃[10]、周兵[11]、單勇[12]等研究了中心錐冷卻對(duì)排氣系統(tǒng)紅外輻射特征的抑制規(guī)律，發(fā)現(xiàn)中心錐冷卻可以有效降低尾向紅外輻射特征。斯仁[13]、額日其太[14]等研究了噴管段冷卻對(duì)排氣系統(tǒng)的紅外抑制影響。陳俊[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了低發(fā)射率涂層的紅外抑制作用。此外采用引射噴管[16]可以加強(qiáng)冷熱氣流混合，降低噴流溫度。以上這些排氣系統(tǒng)的紅外抑制技術(shù)主要應(yīng)用于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)改型設(shè)計(jì)階段，若能在發(fā)動(dòng)機(jī)最初發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)階段考慮紅外隱身，將具有重要意義。Decher[17]等研究了發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)紅外輻射的影響，王豐[18]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究了涵道比變化對(duì)軸對(duì)稱噴管紅外特征影響。

本文針對(duì)目前二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)，研究了2種涵道比下排氣系統(tǒng)固體壁面溫度以及紅外特征分布，涵道比增大可以有效降低壁面溫度以及紅外特征。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

如圖1給出了本次實(shí)驗(yàn)所采用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由內(nèi)涵風(fēng)機(jī)，燃油控制臺(tái)，燃燒室，外涵風(fēng)機(jī)，試驗(yàn)段組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主流由內(nèi)涵風(fēng)機(jī)提供常溫氣流，燃油控制臺(tái)提供燃油，經(jīng)燃燒室燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)?，次流由外涵風(fēng)機(jī)提供氣流，經(jīng)由四根外涵管路進(jìn)入次流通道混合，最后兩股氣流流經(jīng)試驗(yàn)段，形成混合燃?xì)饬髋懦觥?/p>

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)件介紹

本文研究模型為二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)，如圖2所示，該排氣系統(tǒng)主要由中心錐，支板，混合器，加力筒，隔熱屏以及二元俯仰矢量噴管。加力筒段采用具有較優(yōu)的流動(dòng)性能的超橢圓設(shè)計(jì)[19]，二元俯仰矢量噴管由收斂段、擴(kuò)張段、旋轉(zhuǎn)軸以及側(cè)壁段組成。圍繞該旋轉(zhuǎn)軸噴管擴(kuò)張段可以實(shí)現(xiàn)上下±20°偏轉(zhuǎn)，圖中虛線給出了矢量偏轉(zhuǎn)10°，20°的示意圖。噴管收斂角40°，擴(kuò)張角3.6°（非矢量狀態(tài)），喉道寬高比3.906。

圖2 二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)模型

2 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及測(cè)量方法

2.1 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)研究了兩種涵道比狀態(tài)分別為涵道比0.3和涵道比1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制兩次實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵流量0.9kg/s不變，外涵流量從0.27kg/s增加至0.9kg/s。內(nèi)涵進(jìn)口溫度830K，外涵進(jìn)口溫度由環(huán)境溫度決定，兩次實(shí)驗(yàn)狀態(tài)接近。

2.2 溫度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用熱電偶對(duì)排氣系統(tǒng)以及燃?xì)饬鳒囟冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量，如圖3所示給出了二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)熱電偶布置位置，圖中矩形的表示是內(nèi)外涵總溫?zé)犭娕?，其他圓點(diǎn)表示固體壁面溫度熱電偶，熱電偶布置于相互垂直的兩個(gè)平面內(nèi)，對(duì)于偏轉(zhuǎn)的擴(kuò)張段，上下表面均布置了熱電偶。

圖3 排氣系統(tǒng)熱電偶布置

2.3 紅外輻射測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用傅里葉變換紅外光譜輻射儀測(cè)量二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度。如圖4所示，該系統(tǒng)包含傅里葉變換紅外光譜輻射儀，可見(jiàn)光視頻監(jiān)視系統(tǒng)，黑體爐，采集電腦等。為減小實(shí)驗(yàn)臺(tái)其他部件紅外輻射對(duì)測(cè)量的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)噴管外的其他部件采用黑色背景板進(jìn)行遮擋。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了排氣系統(tǒng)三個(gè)探測(cè)面，根據(jù)二元俯仰矢量噴管特性，分為窄邊探測(cè)面，寬邊探測(cè)面-上方，寬邊探測(cè)面-下方，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)量距離35m，測(cè)量角度為0°、5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°和90°，其中0°表示尾噴管正后方，90°表示與燃?xì)饬鞔怪钡姆较?。?shí)驗(yàn)中的具體測(cè)量方法以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[20]。

圖4 紅外輻射特征探測(cè)系統(tǒng)

圖5 探測(cè)位置示意圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 排氣系統(tǒng)固體壁面溫度分布

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了兩種涵道比情況下二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)固體壁面溫度。圖6給出了非矢量狀態(tài)下，寬邊一側(cè)壁面溫度，圖7給出了非矢量狀態(tài)下，窄邊一側(cè)壁面溫度。圖中橫坐標(biāo)表示熱電偶位置，縱坐標(biāo)表示溫度。

圖中可以看出，中心錐壁面溫度，沿著氣流方向有微弱下降，兩次實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，內(nèi)涵進(jìn)口溫度和流量不變，中心錐溫度也基本保持不變。隔熱屏寬邊（圖6中隔熱屏）一側(cè)壁面溫度沿著氣流方向逐漸上升，這是由于寬邊一側(cè)越靠近下游型面收斂越厲害，燃?xì)鉀_刷所致；而隔熱屏窄邊（圖7中隔熱屏）一側(cè)則沿著氣流方向溫度逐漸下降，這是因?yàn)檎呉粋?cè)，型面變化較弱，隔熱屏和加力筒之間的那股低溫外涵氣流對(duì)隔熱屏具有較好降溫作用。兩種狀態(tài)下，大涵道比時(shí)溫度降低較多，隔熱屏寬邊平均溫度下降190K，隔熱屏窄邊平均溫度下降150K，外涵氣流的增加，能夠在隔熱屏壁面上形成較厚的低溫冷卻層，起到很好的保護(hù)作用。噴管收斂段受熱燃?xì)鉀_刷作用，沿著氣流方向溫度上升。小涵道比時(shí)由于貼壁的外涵冷氣流已經(jīng)很少，故噴管擴(kuò)張段和側(cè)壁段壁面溫度沿氣流方向基本保持不變，而大涵道比時(shí)在擴(kuò)張段和側(cè)壁上游仍然具有一定得外涵冷氣流，壁面溫度相對(duì)較低，故沿著氣流方向，溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由于加力筒和隔熱屏之間通道內(nèi)的外涵氣流流出之后，主要貼壁在噴管收斂段和側(cè)壁段上游部分，上游冷卻效果較佳，故兩種涵道比下噴管收斂段下降最多，平均溫降317K，側(cè)壁平均溫降227K，而擴(kuò)張段平均溫降僅153K。

圖6 兩種涵道比下，中心錐、隔熱屏、收斂段、擴(kuò)張段溫度

圖7 兩種涵道比下，中心錐、隔熱屏、側(cè)壁段壁面溫度

3.2 排氣系統(tǒng)紅外輻射特征分布

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了兩種狀態(tài)下排氣系統(tǒng)紅外輻射特征。圖8和圖9分別給出了二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)窄邊探測(cè)面和寬邊探測(cè)面結(jié)果。圖中實(shí)線，虛線，點(diǎn)劃線分別表示排氣系統(tǒng)幾何偏轉(zhuǎn)0°、10°、20°狀態(tài)，曲線上帶有符號(hào)的表示涵道比0.3，沒(méi)有符號(hào)的代表涵道比1。

圖8中可以看出，涵道比0.3時(shí)，對(duì)于排氣系統(tǒng)尾向0～5°和75°～90°范圍內(nèi)，3種幾何偏角下，積分輻射強(qiáng)度基本保持不變，方位角5°～75°方向，隨著幾何偏角的增大，紅外輻射強(qiáng)度增大。這是由于幾何偏轉(zhuǎn)雖然會(huì)導(dǎo)致中心錐、火焰穩(wěn)定器、隔熱屏等高溫部件尾向投影面積變小，紅外輻射減小，但偏轉(zhuǎn)同時(shí)會(huì)增加噴管擴(kuò)張段的投影面積，進(jìn)而紅外輻射強(qiáng)度增大，小涵道比時(shí)，噴管擴(kuò)張段溫度較高，紅外輻射強(qiáng)度較大，故小角度時(shí)排氣系統(tǒng)紅外特征保持不變，大角度方向排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度增大。75°～90°方向主要是尾噴流輻射，幾何偏轉(zhuǎn)雖然改變了噴流方向但對(duì)噴流紅外輻射影響較小。在45°方向，幾何偏轉(zhuǎn)20°后相對(duì)幾何偏轉(zhuǎn)0°時(shí)，紅外輻射特征增大70.2%。涵道比1時(shí)，0～90°范圍內(nèi)，隨著幾何偏轉(zhuǎn)角度的增大，紅外輻射強(qiáng)度下降，與上文以下，幾何偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致高溫部件投影面積增大，噴管擴(kuò)張段投影面積增強(qiáng)，與上文不同的是，涵道比1時(shí)，噴管擴(kuò)張段壁面溫度較低，紅外輻射較小，故而導(dǎo)致隨著幾何偏角的增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射特征下降。在尾向0°方向，降幅34.8%，最大降幅在45°方向，降幅達(dá)65%。綜合對(duì)比兩種涵道比下，隨著涵道比增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射特征下降。

圖9中可以看出，涵道比0.3時(shí)，尾向小角度±5°、45°～90°和－60°～－90°范圍內(nèi)，隨著幾何偏角的增大，紅外特征變化較小。5°～45°和－5°～－60°范圍內(nèi)，隨著幾何偏角的增大，紅外特征增大。具體的原因與上文類似，對(duì)于－90～90°范圍內(nèi)幾何偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部高溫部件投影面積減小，但噴管擴(kuò)張段投影面積增大，紅外特征在某些角度增大，－15°方向增幅最大，相對(duì)0°偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)20°時(shí)，紅外特征增大59%。涵道比1時(shí)，隨著幾何偏角增大，紅外特征整體下降，且紅外特征最大方向隨著幾何偏轉(zhuǎn)而同向偏轉(zhuǎn)。綜合對(duì)比兩種涵道比，隨著涵道比增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度下降，幾何偏轉(zhuǎn)0°、10°、20°時(shí)，尾向0°時(shí)紅外特性分別下降33.3%，42.1%，60.9%。大角度－10°～－60°以及10°～60°范圍內(nèi)，涵道比較小時(shí)，噴管擴(kuò)張段壁面溫度較高，排氣系統(tǒng)紅外特征隨探測(cè)角度變化較小，而涵道比較大時(shí)，噴管擴(kuò)張段溫度較低，紅外輻射較小，可以看出探測(cè)角度增大后，排氣系統(tǒng)內(nèi)部高溫部件被遮擋之后，紅外輻射特征迅速下降。

圖8 窄邊探測(cè)面上，兩種涵道比下排氣系統(tǒng)積分輻射強(qiáng)度

圖9 寬邊探測(cè)面上，兩種涵道比下排氣系統(tǒng)積分輻射強(qiáng)度

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，研究了涵道比0.3和涵道比1時(shí)，二元俯仰矢量排氣系統(tǒng)，幾何偏轉(zhuǎn)0°、10°、20°三種狀態(tài)下壁面溫度分布及紅外特征，主要結(jié)論如下：

1）兩種涵道比下，中心錐溫度保持不變，涵道比1相對(duì)涵道比0.3時(shí)，隔熱屏壁面溫降170K，噴管收斂段溫降317K，側(cè)壁溫降227K，擴(kuò)張段溫降153K。

2）涵道比0.3時(shí)，隨著幾何偏角的增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度增大，最大增幅70.2%；涵道比1時(shí)，隨著幾何偏角增大，排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度減小，最大降幅65%。

3）涵道比增大時(shí)，排氣系統(tǒng)紅外輻射特征下降，幾何偏轉(zhuǎn)0°、10°、20°時(shí)，正尾向分別降低33.3%，42.1%，60.9%。

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Experimental Investigation of Infrared Radiation Characteristics of Two-Dimensional Convergent-Divergent Vectoring Nozzle Exhaust System on Different Bypass Ratio States

LU HaoHao，JI Honghu，LIU Jian，WANG Hao，WANG Ding

(,,210016,)

By changing bypass mass flow, the wall temperature distribution and infrared radiation characteristics of two dimensional convergent-divergent (2D-CD) vectoring nozzle exhaust system with geometric deflection angles of 0, 10, 20 are numerically studied, at bypass ratio(BPR) 0.3 and 1.0. The results show that the wall temperatures downstream of the flame holder decrease significantly at BPR 1.0, which decrease by 170K, 317K, 227K and 153K, respectively, at heat shield, convergent section, side wall section and divergent section than those at BPR 0.3; at BPR 0.3, the infrared radiation intensity of exhaust system increases as the geometric deflected angle increases, reaching a maximum amplification of 70.2%, while at BPR 1.0, the infrared intensity behaves in the opposite way, with a maximum drop of 65%; the increase of BPR decreases the infrared radiation of exhaust system, especially in the tail direction where the drop is 33.3%, 42.1% and 60.9%, respectively, at geometric deflection angles of 0°, 10°, 20°.

2D-CD nozzle，bypass ratio，vector deflection，infrared stealth

V231.1

A

1001-8891(2017)07-0648-05

2016-10-25；

2016-12-29.

盧浩浩（1987-），男，江蘇南通人，博士研究生，主要從事飛行器紅外隱身技術(shù)研究。