不同来流条件对机翼结冰及气动特性影响研究

针对三维机翼结冰问题,基于Navier-Stoke控制方程,采用多时间步长的计算方法,通过求解气液两相流的Eluer法得到空气中水滴的轨迹,再根据Messinger模型计算结冰冰形来实现对机翼结冰的数值模拟。首先以三维NACA0012机翼为研究对象,进行结冰数值模拟方法验证,随后计算不同迎角和不同来流速度对三维ONERA M6机翼结冰冰形的影响,最后分析了机翼结冰对气动特性的影响规律。结果表明,结冰后机翼的阻力系数增大,升阻比减小;来流速度对机翼前缘的结冰类型影响较大,当机翼前缘的结冰类型由霜冰变为混合冰时,将使机翼的气动特性恶化。     

临界冰形确定方法及其对气动特性影响研究

临界冰形是指在适航规章结冰包线内,每个可用飞行构型下,对飞机操纵性和稳定性影响最严重的冰形,临界冰形分析是飞机适航取证中的重要工作。对临界冰形确定方法,及临界冰形对气动特性的影响进行了研究。发展了基于 CFD 方法计算临界冰形的一般方法,包括临界冰形分析状态、敏感性分析截面确定、结冰参数敏感性分析、临界结冰条件确定、临界冰形确定等。流场计算采用中航工业空气动力研究院气动力计算平台(UNSMB),基于 Jameson 中心格式的有限体积法求解 N-S 方程;水滴撞击特性计算采用 Eulerian 方法求解水滴轨迹运动方程;结冰计算采用经典的 Messinger 热力学模型。选取 CRM 飞机为研究对象,以机翼外翼50%展长处为敏感性分析截面,在典型飞行条件下,分析了结冰对环境温度、水滴直径、飞行速度、飞行迎角等参数的敏感性。利用“几何外形敏感性分析方法”,即通过对比冰形的上下冰角角度和冰角厚度等冰形几何参数来确定最严重冰形,得到了CRM 飞机的临界结冰条件和临界冰形,其中敏感性分析截面在水滴直径为30μm 时上冰角厚度和下冰角厚度最大,冰角最大厚度约41 mm。计算了结冰后的气动性能衰减规律,临界冰形对飞机气动性能影响严重,导致升力降低6.7%~23.8%,阻力增加17%~70.9%。发展了45min 待机临界冰形确定方法,基于几何外形敏感性分析方法进行环境温度、水滴直径、飞行条件等各类参数的结冰敏感性分析,得到飞机的临界结冰条件和临界冰形,对于民用飞机设计和适航取证具有一定的工程应用价值。     

二元翼型结冰数值模拟研究

对二元翼型前缘结冰数值模拟进行了研究。采用中心有限体积法求解N—S方程；四阶龙格一库塔法求解水滴运动轨迹方程；逐次二分法寻找水滴撞击极限，然后计算局部水滴收集率；分析翼型表面的传质、传热项，建立相应质量、能量方程并迭代求解，得到翼型表面结冰质量；根据角度二分法生成结冰冰形。预测的NACA0012结冰冰形与实验及Lewice模拟结果吻合很好，结冰过程中的特征参数与冰型及相应冰形特征吻合。     

基于特征正交分解法的翼型结冰冰形快速预测

为加快翼型结冰冰形的计算速度,提出了一套基于特征正交分解(POD)法的结冰冰形快速预测算法.通过计算流体动力学(CFD)数值模拟计算得到的冰形结果作为样本,以结冰温度单参数变化时为例,详细介绍了POD法预测结冰冰形的实现步骤.考虑结冰温度、结冰时间以及液态水含量的影响,完成了单参数、两参数与三参数变化时的POD结冰冰形快速预测.通过算例结果发现:完成POD预测计算只需几秒钟且POD法与CFD法得到的冰形吻合较好,仅在冰角附近有较小差别,表明POD方法能够快速、准确地得到翼型的结冰冰形.      

引射式结冰风洞内圆柱结冰试验

设计并建造了用于结冰研究的小型引射式结冰风洞试验系统,对其结冰气象条件参数进行了标定,给出了试验段水雾均匀区范围,验证了试验冰形的可重复性.在霜状冰和瘤状冰条件下,对直径为25.4mm和50.8mm的圆柱在所建的结冰风洞内进行了结冰试验.试验结果表明:在所研究的结冰条件和结冰时间范围内,霜状冰与瘤状冰的结冰厚度均随时间推进而线性增长;在满足结冰相似准则的情况下,冰形相似性结果良好,无量纲厚度的最大偏差约为10%.      

热气防冰参数对机翼表面溢流结冰的影响研究

机翼热气防冰数值模拟中,根据N-S方程求解流场,用Euler法获得水滴撞击特性,通过蒙皮导热将求解得到的内外流场进行耦合传热并达到稳定后,开始模拟结冰,来进行机翼热气防冰及形成溢流结冰的数值计算。计算结果表明,热空气防冰数值模拟是可行和合理的。采用数值模拟方法对机翼热空气防冰过程进行了模拟,得到了由于引气温度不足或机翼热空气保护面积不同而导致的不同溢冰高度和位置。分析了供气温度、防冰区域对翼面溢流冰形成的影响。结果表明:供气温度直接正向影响热交换后蒙皮表面温度。供气温度越低,溢流冰形高度越高,对气动特性影响也越大;热防护区域范围对溢流结冰结果也会产生影响,热防护区域越大,冻结位置距离驻点越远,而且冰形高度越低,对气动特性影响也越弱。     

翼型表面结冰准定常数值模拟

对翼型表面的结冰过程进行了准定常数值模拟。在每个时间步长内完成网格随着壁面边界的移动而更新、周围流场和水滴撞击特性重新计算、冰形计算及壁面边界的重构工作,如此循环直至所需的结冰计算时间。采用拉格朗日轨迹追踪法获得水滴撞击特性,应用考虑壁面粗糙度影响的边界层积分法计算壁面的对流换热系数,在此基础上求解Messinger结冰热力学模型,冰层始终沿壁面外法线方向生长。对NACA0012翼型在不同环境下生成的三种典型冰形进行了预测,并与实验结果进行了比较,表明本文所述方法的有效性。     

冰形表面粗糙度对翼型的失速特性影响分析

结冰翼型气动影响分析是飞机结冰问题重要的研究内容之一,可帮助进行飞机结冰安全分析和容冰设计。为填补现阶段关于冰形表面粗糙度对翼型气动影响的研究空缺,以冰形的粗糙度参数(冰形表面粗糙高度和冰形表面粗糙分散度)为依据,提出了一种冰形粗糙度叠加方法;并通过有限体积法求解空间离散的RANS方程,结合S-A湍流模型,分别针对流线冰型和角状冰型,量化分析了不同微观特征参数的冰形对翼型失速特性的影响规律,为研究飞机结冰问题提供了思路和基础。结果表明,对于流线结冰翼型,冰形表面粗糙度会明显影响翼型的失速性能;而对于角状结冰翼型,两个凸起的羊角状外形才是导致气动力损失的主要因素,粗糙度的影响往往可不考虑在内。     

飞机三维结冰模型及其数值求解方法

 对飞机结冰外形进行纯三维数值模拟,是目前飞机结冰预测中的一大难点。为了建立三维结冰数值模拟方法,基于Messinger的二维结冰模型,提出了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型,并针对该模型建立了表面单元内溢流水流动的分配方案、发展了相应的迭代求解方法。采用本文方法对MS-317后掠翼结冰进行了计算,并与实验和Lewice3D的计算结果进行了对比。研究结果显示：本文方法具有较好的收敛性,计算的霜冰和明冰外形均与Lewice3D计算的冰形一致;对于霜冰和结冰时间较短的明冰,本文计算的冰形与实验吻合较好;对于结冰时间较长的明冰,本文计算的冰形与实验对比还有一定差异,但冰生长的总体趋势和大致体积与实验一致。同时,对比了MS-317无后掠翼与有后掠翼结明冰的外形,发现机翼后掠导致的三维溢流效应对结冰外形有明显影响,因此,对于三维结冰分析,如果用二维截面的结果来代替三维结果,其合理性还需验证。     

结冰模拟软件AERO-ICE中的关键数值方法

自然积冰对于航空飞行安全造成重大隐患,飞机在穿越富含过冷水汽的云层时冰形将按一定的物理规律积聚生长。介绍了一款三维结冰数值模拟软件AERO-ICE,该软件由网格自动生成、空气流场RANS计算、水滴场欧拉方法计算、结冰热力学分析四个模块组成。在空气流场计算方面,采用SPF k-v²-ω湍流模型,该模型引入湍流非平衡特性修正,预测的带冰翼型最大升力系数和失速攻角相对SA和SST模型有显著的提高。水滴场欧拉方程由于源项较大,迭代求解时容易发散,AERO-ICE软件采用流场光顺、二阶MUSCL空间离散以及LU-SGS隐式时间推进方法改善了数值稳定性。在结冰热力学分析模块,AERO-ICE软件同时具有Messinger与Myers模型,并将Messinger模型预估的壁面温度作为Myers模型的边界条件,从而解决了Myers模型温度设置的经验性问题。AERO-ICE软件支持多块网格、多重网格加速技术与大规模并行计算,其冰形计算结果得到了初步的验证。     

发动机进气道短舱前缘结冰三维模拟研究

为计算发动机进气道短舱前缘的结冰冰形,在Messinger结冰热力学模型的基础上发展了一套纯三维的表面溢流水流动结冰模型。考虑空气摩擦力为表面溢流水流动的主要驱动力,用空气对进气道表面的剪切力来确定溢流水的流动方向及流量分配。为求解溢流水结冰模型,发展了一套重复查找表面控制体状态的方法,能够快速完成整个三维表面的计算。用该方法对某三维发动机进气道进行计算,得到了三维结冰冰形,并将计算结果与FENSAP-ICE计算结果进行了对比,结果显示两者的冰形轮廓基本一致,仅在冰角处存在差异,表明本文三维发动机结冰计算模型与计算方法是有效的,其计算精度与FENSAP-ICE结果相当。     

复杂积冰翼型气动性能分析

为了克服复杂外形难以划分结构化网格的问题, 采用结构/非结构混合多块网格对复杂积冰翼型的气动性能-进行了分析计算.在靠近积冰边界的内层采用了非结构网格, 在非结构网格外采用结构化网格以节省存储空间和计算时间.不同类型网格之间采用了点点对接的方式以简化通量重构的处理方式.整个流动区域采用SST湍流模型, 求解了雷诺平均N-S方程.数值计算结果表明结构/非结构混合多块网格在复杂积冰翼型气动性能计算上的可行性, 积冰对翼型的气动性能造成了严重的影响.      

三维机翼结冰模拟

针对机翼结冰问题,利用欧拉法求解空气水滴两相流流场,通过Fluent软件用户自定义函数功能编程求解三维机翼表面水滴局部收集系数以及结冰情况.在计算中.将水溢流方向沿机翼弦向和展向分解,以此对Messinger结冰热力学模型进行改进,使之更符合三维情况,并在此基础上进行三维传质传热分析;修正传统的二维表面对流换热系数求解...     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

基于Myers模型的三维结冰数值仿真

三维结冰表面上的水膜流动和结冰增长是结冰计算模型应考虑的核心内容,其中广泛应用的是Myers模型。Myers模型考虑了空气剪切力和空气压力对结冰表面水膜流动的影响,以及冰层、水膜和空气之间的导热与对流传热对结冰速率的影响。本文在使用Myers模型进行结冰预测时,发现Myers模型对霜冰转化为明冰的判断标准存在缺陷,会在结冰极限处产生不合理的冰角。因此对Myers模型的结冰类型判断标准进行了修改,对机翼表面的结冰过程进行了更加准确的模拟,并应用了有效的离散算法计算水膜流动和结冰增长过程。对比了二维NACA0012翼型的单步法、多步法计算结果和实验结果。明冰结冰温度较低时,本文计算结果与实验结果吻合很好,明冰结冰温度较高时,本文对上冰角的计算与实验结果有一定差距。本文提供了三维GLC-305后掠翼的结冰计算结果和实验结果的对比,冰角厚度的计算结果略小于实验结果,但整体趋势一致。     

基于数值模拟的NSDBD等离子体激励器防冰特性

飞行器表面在一定气象条件下会产生积冰,积冰会使飞行器气动性能下降,是危害飞行安全的重要因素之一。常见的气热及电热防冰系统已经广泛运用于现有飞行器上。近些年,在纳秒脉冲阻挡介质放电（NSDBD）等离子体激励器的相关研究中发现NSDBD等离子体激励器可对周围流场进行快速加热,考虑到这种热效应可能作为飞机防冰的一种新方式。本文用数值方法对NSDBD等离子体激励器防冰特性开展了研究。首先,建立了基于Messinger模型的积冰模型,对典型积冰条件进行了验证计算;其次,耦合唯象学等离子体模型与非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算等离子体对空气流场的影响;最后,将NSDBD等离子体激励器布置在NACA0012翼型前缘防冰区,结合积冰模型与唯象学等离子模型,对其防冰特性进行了研究。计算结果表明等离子体加热的热气流会覆盖在翼型表面防冰区。在相同的霜冰条件下,开启等离子体激励器时机翼前缘没有出现积冰,说明等离体子激励器应用于机翼防冰是有效的。针对不同的激励器参数对防冰特性的影响规律进行了研究,总体上防冰效果与峰值电压、激励器频率有关,从防冰效果和能耗方面考量,在给定计算条件下,存在最优电压值和最优激励器频率值。激励器分布方式对防冰特性的影响与其具体流场有关,需要具体分析。     

二维翼型大尺寸过冷水滴撞击特性及冰形分析

基于现有大尺寸过冷水滴(supercooled large droplet, SLD)动力学特性,分析水滴变形对阻力的影响.并根据几种典型的反弹/飞溅模型,分析了SLD的阻力变化、反弹、飞溅等对水滴撞击特性的影响,采用软件FENSAP-ICE的飞溅模型和LEWICE 2.0的反弹模型研究了反弹及飞溅现象对冰形的影响.计算结果显示:水滴撞击前的破碎现象对水滴尺寸分布有较大的影响,进行撞击特性以及冰形计算的时候需进行考虑;SLD破碎、飞溅、反弹降低了局部水收集系数、减小了水滴撞击范围;飞溅现象主要发生在机翼前缘附近区域,反弹主要在撞击边缘区域;水滴直径增加,飞溅现象逐渐减弱,但边缘位置的反弹现象一直很明显.SLD变形带来的阻力影响对冰形及结冰区域影响很小;与未考虑飞溅及反弹现象得到的冰形比较,考虑飞溅及反弹得到冰形前缘区域形状变化不大,但是整体结冰区域减小.      

改进的翼型积冰数值模拟方法

基于微团概念,以雨滴运动的基本假设出发,对翼型积冰的拉格朗日方法进行了改进.新方法克服了原方法计算效率低、冰形同雨滴分布密度及网格密度相关的缺点,继承了原方法的鲁棒性,不存在欧拉方法的收敛性问题.为验证方法的正确性,计算了NACA0012翼型在0°和4°攻角下的霜冰积冰情况、表面水收集量和局部撞击系数.结果表明新方法减少了计算量,预测的冰形和实验结果一致,并分析了积冰对气动性能的影响.