考虑TRI效应影响的航发尾流红外特性数值研究

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32986

流体力学与飞行力学

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考虑TRI效应影响的航发尾流红外特性数值研究

李高翔¹, 于贤君¹, 胡海洋²(), 王强², 李一涵², 陈一伟²

^1.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京 102206
^2.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 102206

收稿日期:2025-10-29 修回日期:2025-11-25 接受日期:2025-12-30 出版日期:2026-01-16 发布日期:2026-01-15
通讯作者: 胡海洋 E-mail:09451@buaa.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项（J2019-Ⅲ-0009-0053）

Numerical study on infrared characteristics of aero-engine exhaust plume considering TRI effects

Gaoxiang LI¹, Xianjun YU¹, Haiyang HU²(), Qiang WANG², Yihan LI², Yiwei CHEN²

^1.Research Institute of Aero-Engine，Beihang University，Beijing 102206，China
^2.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 102206，China

Received:2025-10-29 Revised:2025-11-25 Accepted:2025-12-30 Online:2026-01-16 Published:2026-01-15
Contact: Haiyang HU E-mail:09451@buaa.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project （J2019-Ⅲ-0009-0053）

摘要/Abstract

摘要：

发展了结合嵌入式大涡模拟（ELES）与大气透射率加权多组分宽带（ATWMSWB）k分布气体辐射模型的碳氢燃料排气系统红外特性数值计算软件ESTRI。并分别对比亚声速与超声速喷管尾流场参数分布测量数据、瞬态流场遥感红外成像逐线计算（LBL）结果，验证了ELES与ATWMSWB模型的可靠性。通过对小型航空发动机排气系统尾喷流积分辐射强度进行测量，并与数值计算结果对比，进一步验证了ESTRI软件对湍流燃气射流时均红外信号的计算精度。在此基础上数值研究了排气系统红外特性计算中常被忽视的3个因素：湍流与辐射相互干扰特性（TRI）、发动机吸入环境空气湿度、真实气体效应，对其3.7~4.8 μm波段红外信号的影响。结果表明，TRI特性对燃气喷流红外特性影响显著，且随探测距离的增加而略有增大；发动机吸入环境空气中的水蒸气对其尾喷流近距离红外信号的影响很小，但对其远距离红外信号的贡献可达1/3；真实气体效应对燃气喷流红外信号也有可见影响。

关键词: 嵌入式大涡模拟（ELES）, 湍流-辐射相互干扰（TRI）, 尾喷流, 红外辐射, 气体辐射模型

Abstract:

This study developed the ESTRI numerical simulation software for infrared characteristics of hydrocarbon-fueled exhaust systems by integrating Embedded Large Eddy Simulation （ELES） and the Atmospheric Transmissivity Weighted Multi-Species Wide-Band （ATWMSWB） k-distribution gas radiation model. The reliability of the ELES and ATWMSWB models was verified by comparing with measurement data of flow field parameter distributions for both subsonic and supersonic nozzle exhaust plumes， as well as Line-By-Line （LBL） calculation results for transient flow field remote sensing infrared imaging. The computational accuracy of the ESTRI software for the time-averaged infrared signals of turbulent gas jets was further validated by comparing numerical results with measured integral radiation intensity data from a small aero-engine exhaust system plume. Based on this， a numerical study was conducted to investigate the impact of three often-neglected factors in exhaust system infrared characteristic calculations-Turbulence-Radiation Interaction （TRI）， humidity of engine ingestion ambient air， and real-gas effects-on the infrared signals in the 3.7–4.8 μm wavelength band. The results show that TRI significantly influences the infrared characteristics of gas jets， with its effect slightly increasing with detection distance increase. The water vapor ingested from ambient air by the engine has little impact on the near-field infrared signals of the exhaust plume but can account for up to one-third of its far-field infrared signals. Real-gas effects also have a noticeable influence on the infrared signature of gas jets.

Key words: Embedded Large Eddy Simulation (ELES), Turbulence-Radiation Interaction (TRI), exhaust plume, infrared radiation, gas radiation model

中图分类号:

V211.3

李高翔, 于贤君, 胡海洋, 王强, 李一涵, 陈一伟. 考虑TRI效应影响的航发尾流红外特性数值研究[J]. 航空学报, 2026, 47(14): 132986.

Gaoxiang LI, Xianjun YU, Haiyang HU, Qiang WANG, Yihan LI, Yiwei CHEN. Numerical study on infrared characteristics of aero-engine exhaust plume considering TRI effects[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(14): 132986.

图/表 27

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表1

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参考文献 44

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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

参数	数值
压力/Pa	101 300
温度/K	299.7
水蒸气摩尔分数	2.59×10^-2
二氧化碳摩尔分数	4.20×10^-4
一氧化碳摩尔分数	1.50×10^-7
臭氧摩尔分数	2.870×10^-8
一氧化二氮摩尔分数	3.377×10^-7
甲烷摩尔分数	1.921×10^-6

喷管编号	喷管类型	A/A^*	D_in/mm	D/mm	L_N/mm
SMC000	收缩喷管		152.4	50.8	165
SMC020	收扩喷管	1.757	57.1	50.8	165

喷管编号	Ma_out	T_out/T_∞	NPR	出口雷诺数Re
SMC000	0.67	1.764	1.357	8.91×10⁵
SMC020	2	1.818	7.722	1.204×10⁶

热力学参数	测量方法	数值
总压/Pa	总压探针	114 691
总温/K	总温热电偶	890
二氧化碳摩尔分数	基于涡喷发动机的油气比及其吸入环境空气的组分	0.037 3
水蒸气摩尔分数	基于涡喷发动机的油气比及其吸入环境空气的组分	0.062 8

探测距离/m	成像角度/（°）	空气类型	燃气类型	TRI	积分辐射强度/（W·sr^-1）
8	90	干空气	真实	无	1.25 （基于RANS）
8	90	湿空气	真实	有	1.43（TRI占比33.53%）
8	90	湿空气	真实	无	0.95
8	90	干空气	真实	有	1.41
8	90	湿空气	理想	有	1.35
400	90	湿空气	真实	有	0.142 2（TRI占比36.37%）
400	90	湿空气	真实	无	0.09
400	90	干空气	真实	有	0.136 0
400	90	湿空气	理想	有	0.135 4
2×10⁴	90	湿空气	真实	有	5.7×10^-5（TRI占比38.51%）
2×10⁴	90	湿空气	真实	无	3.5×10^-5
2×10⁴	90	干空气	真实	有	3.8×10^-5
2×10⁴	90	湿空气	理想	有	5.4×10^-5

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