S弯喷管正后向红外辐射特征快速预测模型

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29639

流体力学与飞行力学

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S弯喷管正后向红外辐射特征快速预测模型

是介¹, 周莉¹^,²(), 史经纬¹, 王占学¹

^1.西北工业大学动力与能源学院，西安 710129
^2.先进航空发动机协同创新中心，北京 100191

收稿日期:2023-09-22 修回日期:2023-09-28 接受日期:2023-10-07 出版日期:2023-10-25 发布日期:2023-10-24
通讯作者: 周莉 E-mail:zhouli@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52076180);陕西省杰出青年科学基金(2021JC-10);国家科技重大专项（J2019-Ⅱ-0015-0036）;航空发动机及燃气轮机基础科学中心项目（P2022-B-Ⅰ-002-001,P2022-B-Ⅱ-010-001）;中央高校基本科研业务费专项资金(501XTCX2023146001)

Rapid prediction model for tail infrared radiation characteristics of serpentine nozzles

Jie SHI¹, Li ZHOU¹^,²(), Jingwei SHI¹, Zhanxue WANG¹

^1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710129，China
^2.Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine，Beijing 　100191，China

Received:2023-09-22 Revised:2023-09-28 Accepted:2023-10-07 Online:2023-10-25 Published:2023-10-24
Contact: Li ZHOU E-mail:zhouli@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52076180);Funds of Distinguished Young Scholars of Shaanxi Province(2021JC-10);National Science and Technology Major Project （J2019-Ⅱ-0015-0036）;Science Center for Gas Turbine Project （P2022-B-Ⅰ-002-001, P2022-B-Ⅱ-010-001）;the Fundamental Research Funds for the Central Universities(501XTCX2023146001)

摘要/Abstract

摘要：

为了在航空发动机排气系统红外隐身设计初期快速计算不同遮挡特性S弯喷管正后向的红外辐射特征，发展了基于图像法和一维流场模型的S弯喷管红外辐射特征快速预测模型。该模型采用图像法将S弯喷管的几何遮挡关系转化为多层二维图像的像素运算，根据可压缩管流和射流理论建立S弯喷管一维流场模型，基于统计窄谱带模型计算燃气吸收发射特征，结合燃气可见区域长度和容积的拟合函数考虑遮挡特性对燃气辐射的影响。通过与离散传递法对比验证了模型的计算效率和准确性。结果表明：快速预测模型可将S弯喷管正后向红外辐射特征计算时长由数小时缩短至秒级，其计算结果与离散传递法在趋势和数值上均吻合较好。不同遮挡特性S弯喷管和不同喷管工况时总红外辐射强度最大相对误差仅为6.5%，壁面和燃气辐射的最大相对误差分别为4.1%和5.2%。快速预测模型针对轴对称和二元喷管也具有良好的泛用性。

关键词: S弯喷管, 红外辐射, 快速预测, 图像法, 一维流场模型

Abstract:

To efficiently calculate the infrared radiation characteristics of serpentine nozzles with varying shielding properties during the early stages of infrared stealth design for exhaust systems， a rapid prediction model for the tail infrared radiation characteristics of serpentine nozzles has been developed. This model combines the image-based method and the one-dimensional flow field model. The former transforms the geometric shielding relationship of serpentine nozzles into pixel operations on multi-layer two-dimensional images， and the latter is established based on the compressible pipe flow and jet theory. The gas absorption and emission characteristics are calculated using the statistical narrow-band model. The impact of shielding properties on gas radiation is also considered by fitting functions for the length and volume of the gas-visible region. The computational efficiency and accuracy of the model are verified by comparison with the discrete transfer method. The results show that the rapid prediction model can shorten the computation time of the tail infrared radiation from several hours to about 1 s， and the outcomes of the model align well with the discrete transfer method in terms of trend and value. The maximum relative error in total infrared radiation intensity for different shielding properties of serpentine nozzles and various nozzle working conditions is only 6.5%. Furthermore， the maximum relative errors for wall radiation and gas radiation are 4.1% and 5.2%， respectively. The model also demonstrates good generalizability for axisymmetric and two-dimensional nozzles.

Key words: serpentine nozzle, infrared radiation, rapid prediction, image-based method, one-dimensional flow field model

中图分类号:

V231.1

是介, 周莉, 史经纬, 王占学. S弯喷管正后向红外辐射特征快速预测模型[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 129639-129639.

Jie SHI, Li ZHOU, Jingwei SHI, Zhanxue WANG. Rapid prediction model for tail infrared radiation characteristics of serpentine nozzles[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(14): 129639-129639.

图/表 18

图 1

图 2

图 3

表1

图像法计算精度校验

参数	理论投影面积/m²	计算投影面积/m²	相对误差/%
$A t$	0.050 402	0.050 580	0.35
$A c$	0.042 460	0.042 258	0.48
$A m$	0.004 096	0.004 084	0.29
$A b$	0.005 226	0.005 260	0.65
$A n$	0.106 708	0.107 193	0.45

表1

图 4

图 5

表2

光谱透过率计算条件

Case No.	T/K	P/（10⁵Pa）	$F C O 2$	$F H 2 O$	l/cm
1	800	1.0	0.1	0.1	40
2	1 000	1.0	0.1	0.1	40
3	1 200	1.0	0.1	0.1	40

表2

图 6

图 7

图 8

表3

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图14

图 15

参考文献 27

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

计算方法	CFD计算/s	红外特征计算/s
离散传递法	5.838×10⁴	3.786×10³
快速预测模型	0	1.391

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S弯喷管正后向红外辐射特征快速预测模型

Rapid prediction model for tail infrared radiation characteristics of serpentine nozzles

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