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S弯通道单边膨胀喷管气动和红外特性数值研究

作　者: 杨承宇
导　师: 张靖周
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 热能工程
关键词: 单边膨胀喷管 CFD/IR 正反光线踪迹法数值模拟红外辐射
分类号: V231.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

单边膨胀喷管(简称SERN)通过与飞机后机身更好的一体化设计,降低了后体阻力和排气系统重量,利用其非对称喷管的矢量特性提高了飞机的敏捷性和操控性,同时还具有良好的红外隐身和雷达隐身特性,是抑制发动机红外辐射的有效手段之一,因而一直受到世界各国的关注。本文通过CFD/IR数值模拟的方法,研究了单边膨胀喷管膨胀边开缝、膨胀边倾斜角度和喷管收敛通道面积比这三个结构参数变化对单边膨胀喷管气动性能和红外辐射特性的影响规律。在研究单边膨胀喷管气动和红外辐射特性的过程中,首先进行了喷管缩比模型的实验研究,用于验证数值计算中湍流模型的选择和红外特征计算模拟程序的可信性,从而利用经过验证的合理的湍流模型和红外计算程序对真实尺寸喷管模型进行相应的数值模拟。计算模拟结果表明:单膨胀边上开缝后,YOZ坐标平面上的尾焰红外辐射峰值降低了25.2%;而XOZ坐标平面上的尾焰红外辐射强度峰值降低了26.4%,同时其余各个角度红外辐射强度值也相应减小;开缝后单膨胀边壁面温度也大幅度降低,平均温度从643K下降到335K左右,综合导致喷管整体红外辐射强度明显降低;在整体红外辐射强度降低的同时,喷管气动性能也得到改善,推力系数上升,推力矢量角减小;单膨胀边倾斜角度增大对喷管后半球红外辐射强度影响主要体现在YOZ平面探测角度-30o至-10o范围内,表现为对喷管高温内壁面和喷管尾焰的红外辐射遮挡效果减弱;收敛通道面积比的增大在使得红外辐射强度降低,但喷管的推力也相应减小。落压比变化则对喷管红外辐射特性影响则相对较弱。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
图表清单  8-11
注释表  11-12
第一章绪论  12-18
  1.1 研究背景和意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
  1.3 本文的研究内容  15-18
第二章数值计算方法  18-28
  2.1 流场计算方法  18-22
    2.1.1 控制方程及湍流模型  18-21
    2.1.2 燃气各组分浓度的计算  21-22
  2.2 红外辐射特征计算方法  22-25
  2.3 推力系数及流量系数计算方法  25-28
第三章单边膨胀喷管模型气动和红外特性实验研究  28-50
  3.1 实验研究方法  28-33
    3.1.1 实验系统  28-29
    3.1.2 实验模型设计  29-30
      3.1.2.1 设计思想  29
      3.1.2.2 实验模型结构和几何尺寸  29-30
      3.1.2.3 实验内容  30
    3.1.3 实验测试系统  30-33
      3.1.3.1 主、次流流量测量  30-31
      3.1.3.2 气体温度测量  31
      3.1.3.3 气体速度测量  31-32
      3.1.3.4 壁面静压测量  32
      3.1.3.5 红外辐射测量  32-33
  3.2 湍流模型的比较  33-35
  3.3 数值计算的实验验证  35-48
    3.3.1 单膨胀边壁面压力实验验证  35-36
    3.3.2 喷管出口速度分布  36-38
    3.3.3 喷管出口温度分布  38-41
    3.3.4 喷管模型表面温度场和红外辐射场的测量  41-48
  3.4 本章小结  48-50
第四章单边膨胀喷管气动和红外特性数值研究  50-76
  4.1 单膨胀边开缝对喷管气动和红外特性的影响  50-58
    4.1.1 物理模型  50-51
    4.1.2 计算域  51
    4.1.3 网格划分  51-52
    4.1.4 边界条件和计算方法  52
    4.1.5 计算结果  52-58
      4.1.5.1 气动性能分析  52-53
      4.1.5.2 红外辐射特征分析  53-58
  4.2 单膨胀边倾斜角度对喷管气动和红外特性的影响  58-63
    4.2.1 物理模型  58-59
    4.2.2 计算结果  59-63
      4.2.2.1 气动性能分析  59-61
      4.2.2.2 红外辐射特性分析  61-63
  4.3 收敛通道面积比对喷管气动和红外特性的影响  63-68
    4.3.1 物理模型  63-64
    4.3.2 计算结果  64-68
      4.3.2.1 气动性能分析  64-65
      4.3.2.2 红外辐射特性分析  65-68
  4.4 落压比对喷管气动和红外特性的影响  68-73
    4.4.1 计算结果  68-73
      4.4.1.1 气动性能分析  68-71
      4.4.1.2 红外辐射特性分析  71-73
  4.5 本章小结  73-76
第五章总结  76-78
  5.1 本文总结  76-77
  5.2 下一步研究展望  77-78
参考文献  78-80
致谢  80-81
在学期间的研究成果与发表的论文  81

S弯通道单边膨胀喷管气动和红外特性数值研究

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