大型商用运输机机翼增升构型水滴撞击特性计算

基于欧拉-拉格朗日数值模拟框架,发展了一套适合求解三维多体模型水滴撞击特性的计算方法。采用粒子统计与面积比率计算相结合的方式,实现了水滴收集率的高效精确预测。在常规粒径条件下,该方法计算结果与国外标模试验数据吻合良好。应用上述算法,开展了某大型商用运输机增升构型的水滴撞击特性数值模拟研究,计算结果显示:水滴在缝翼背面缝道处出现聚集和轨迹交汇现象,聚集的水滴撞击在缝翼背面后缘,致使当地的水滴收集率出现了严重的激增,这一现象对飞机防冰系统设计提出了新的要求;另外,三维效应对增升构型的撞击特性影响显著,其中主翼下翼面水滴收集率沿展向分布存在较大差异。     

霜状冰结冰数值模拟研究

提出了一种三维霜冰结冰的数值模拟方法。基于欧拉-拉格朗日法计算空气-水滴两相流流场,获得了表面水滴撞击特性以及撞击量,求解质量守恒和能量守恒方程获得网格单元内的结冰量,三维霜冰的结冰计算程序采用用户自定义（UDF）编写,FLUENT提供的动网格功能实现了结冰后的网格重构。计算了4°攻角,液态水含量为1 g/m3,水滴直径20μm,结冰时间6 min,温度分别为-19.4°和-28.3°时NACA0012翼型的结冰,并与相关文献结果进行了对比,计算结果与文献实验结果吻合较好,验证了方法的合理性和可靠性。分析了不同的粒径、液态水含量、来流速度等对撞击特性以及结冰的影响,随着粒径、来流速度的增加,水滴收集系数、撞击区和结冰厚度增大,随着液态水含量的增加,水滴收集系数和撞击区是不变的,但是结冰厚度增加。     

涡扇发动机短舱结冰试验相似方法

通过分析短舱表面结冰缩比试验相似要求,在保证绕流流场、水滴撞击特性和结冰冰型相似的基础上,分别采用基于气流雷诺数,气流韦伯数和水滴韦伯数3种速度选取方法建立了试验相似准则。利用该准则获得了明冰和霜冰条件下涡扇发动机短舱1/2缩比模型的结冰试验参数,开展了短舱进气道表面结冰冰型预测,对参考模型和缩比模型表面过冷水滴撞击特性、结冰特性、溢流水分布特性进行了分析。结果表明:采用基于气流韦伯数和水滴韦伯数速度选取方法的相似准则,在明冰和霜冰条件下均能保证缩比模型与参考模型表面水滴撞击特性相似,且相似性不受结冰温度影响；溢流水变化趋势与参考模型相似,流动极限相近；缩比模型表面冰型均与参考模型相似,该方法能够为短舱结冰试验参数选取提供依据。      

水滴撞击特性的重力影响分析

以NACA0012翼型为研究对象,采用拉格朗日法分析了重力对水滴撞击特性的影响,获得了过冷大水滴（SLD）的撞击特性。计算结果表明：当水滴直径超过50μm时,重力对水滴轨迹以及极限轨迹的初始位置影响很大;SLD的水收集系数和收集区域都较直径为10～40μm的水滴（美国联邦航空条例FAR25部附录C规定的防冰系统设计用水滴直径范围）有较大幅度的提高,该结论可为飞机防冰系统的设计以及冰风洞中喷嘴安装位置的确定提供参考。     

液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响

为了研究液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响,基于机翼防冰表面水膜及空气相互作用机理,并考虑水膜表面传热传质过程,建立了水膜与空气的流动换热模型,得到溢流水膜及空气边界层流动换热的积分控制方程,通过对比文献试验结果验证了模型的准确性.在此基础上,比较了不同液态水含量条件下防冰表面水膜厚度及主要热流量的分布情况.结果表明:液态水含量对水膜沿表面厚度分布有明显影响,而对换热过程中各项热流的影响主要集中在水滴撞击区域,加热热流与散热热流随液态水含量的增加呈现相反的变化趋势.     

飞机水平尾翼水滴撞击特性及防冰热载荷计算

建立了利用欧拉法求解水滴撞击特性的方法,并基于Messinger质量和能量守恒方程建立了热载荷计算模型,以某型飞机三维水平尾翼为研究对象,展开了撞击特性和热载荷的计算.结果显示水平尾翼的局部水收集系数极值从翼根到翼尖逐渐增加,不同截面水滴收集系数的分布为设计防冰系统范围提供了依据.驻点附近及机翼上、下表面各存在一个热载荷较大的区域,进而确定该尾翼电加热防冰分为3个区域:中间连续加热区和上、下表面驻点附近的各一个间断加热区.      

双梭型SLD探测器结冰特性研究

探头式结冰探测器为主流民航或运输类飞机所采用,其用于探测常规水滴结冰条件的技术手段已相当成熟,但探测器对于过冷大水滴(SLD)结冰条件探测和识别能力尚需探索和研究,针对具有双梭型气动外形的结冰探测器,研究其在SLD和常规水滴条件下探头表面的结冰特性,结合过冷大水滴在撞击区域、运动轨迹方面的特性分析了双梭探头构型的设计原理,采用三维结冰数值模拟软件FENSAP-ICE进行空气流场、水滴场和结冰量的数值计算,获得了不同水滴直径下探测器表面的结冰分布,研究了带攻角的典型工况下对水收集和结冰特性的影响,基于光纤传感器的探冰原理,在冰风洞试验中获取探头表面不同位置处的结冰信息,并与仿真结果进行对比,研究表明:该探头构型在SLD和常规水滴结冰条件下具有明显不同的结冰分布,可以通过探测器不同位置处的结冰情况判断是否存在SLD结冰条件。     

水滴撞击特性参数的动态图像测量方法

以染色法为基本原理,实验采集试件表面不同位置的染色过程视频.通过对视频数据的分析获取试件表面色度随时间增长的时序信号.实验过程可以划分为欠饱和区、平衡区和过饱和区.平衡区的比色值分布即为局部水收集系数分布的归一化结果.通过比色积分曲线的极限行为确定水滴撞击极限和总收集系数与最大局部水收集系数的比值.将实验结果与数值仿真结果和NASA(美国国家航空航天局)实验结果对比表明:水滴撞击特性参数与动态视频图像的RGB(rad-green-blue)色度空间可以建立较好的关联,实验重复性误差率小于±15%;水滴撞击特性参数之间存在内在关联.      

发动机进口支板防冰热负荷数值模拟

为研究航空发动机进口防冰问题,应用三维雷诺平均N—S方程和双方程k～ε模型,计算了某发动机进口支板外部空气流场,用欧拉法建立并求解了空气中过冷水滴控制方程;选取某些飞行工况,得到了支板防冰表面的水滴撞击特性,且分别在干、湿蒸发2种情况下得到了表面的防冰热负荷分布。可以此为基础进行支板表面加热形式和结构设计.     

CJ818客机机翼防冰范围的确定及防冰热载荷计算

通过数值计算的方法,对CJ818客机机翼周围的流场和水滴运动轨迹进行了计算;介绍了水滴撞击特性的计算方法,编写程序计算了机翼的水滴撞击特性,并据此确定出机翼的防冰范围;分析了防冰表面热流的组成,并给出了每种热流的计算方法,在此基础上编写程序计算得到了CJ818客机机翼的防冰热载荷。     

旋转部件复杂表面水滴撞击计算

为模拟旋转体结冰问题的过冷水滴运动及撞击过程,基于欧拉方法及单旋转坐标系模型,建立了三维旋转水滴运动模型,并提出了相应的数值求解方法。采用单旋转坐标系对空气及水滴两相流动过程进行处理,通过引入惯性力,将惯性系下的周期转动边界转换为定常流动边界;利用欧拉方法,使用单向耦合形式描述空气—水滴流场;在单旋转坐标系下,向控制方程内引入科里奥利加速度及牵连加速度,进行非惯性系下欧拉方程的修正,从而描述水滴运动过程;采用有限容积求解器对空气及水滴运动的控制方程组进行求解,通过引入源项定义单旋转坐标系下的惯性力,得到空气流场及水滴场的速度、体积分数分布,进而得到表面水滴撞击特性。采用上述方法对旋转帽罩与叶片模型进行算例分析,结果表明所建立的旋转水滴计算方法有效,对比静止状态表面的结果,旋转对帽罩的水滴撞击特性影响甚小,而对桨叶存在显著影响;由于帽罩具有中心对称的特性,因而旋转带来的切向速度变化对其水滴撞击特性影响不明显;桨叶表面水滴收集系数随旋转角速度增大而增大,同时收集系数在表面的分布会向迎风方向偏移,较大的角速度对应了更为显著的收集系数增幅与偏移现象。     

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小。采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性。同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量。采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足。     

一种用于飞机结冰的海绵冰模型及应用

基于两相流理论,采用欧拉法对飞机结冰进行数值模拟,在空气流场速度分布的基础上,求解水滴流场,得到水滴收集率和撞击极限.结果表明:欧拉法比拉格朗日法在计算水滴收集效率和撞击极限方面有优势,尤其是在较大的水滴平均等效直径情况下.对翼型的冰形和圆柱表面的温度预测数据和实验数据进行对比,圆柱冰形厚度误差在15.0%之内,计算结果与实验结果吻合较好,同时表明结冰模型是有效可行的.      

NUMERICAL INVESTIGATION OF UNSTEADY DROPLET COMBUSTION PROCESS IN HOT QUIESCENT AIR ENVIRONMENTS (HQAE)

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮＯＦＵＮＳＴＥＡＤＹＤＲＯＰＬＥＴＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮＰＲＯＣＥＳＳＩＮＨＯＴＱＵＩＥＳＣＥＮＴＡＩＲＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＳ（ＨＱＡＥ）ＺｈｕＧｕａｎｇｓｈｅｎｇ，ＬｉｎＪｕｎｙｉ，ＺｈａｎｇＹｕｅｌｉｎ...     

三维复杂表面水滴撞击特性计算

为预测多段翼和发动机进气道等三维复杂形状表面在结冰气象条件下的水滴撞击特性,提出了一种基于欧拉两相流模型求解水滴收集系数的方法.空气相和水滴相认为是单相耦合的,空气流场由Euler或Navier-Stokes(N-S)方程独立求得.给出了一种水滴相撞击壁面边界条件的处理方法.为避免因局部水滴容积分数异常而导致计算发散,提出了一种自适应的数值扩散模型以增加高阶计算的稳定性.验证计算了圆柱、MS(1)-0317翼型、球面等典型二三维物面的收集系数,并计算了水滴直径呈某种分布时的情形.与公开发表的试验数据对比表明,计算方法准确有效,能很好的应用于三维复杂表面的水滴撞击特性预测.      

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。     

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。     

动力对全机水滴收集率的影响计算

针对飞机在飞行中遭遇过冷水滴撞击并结冰现象,建立了适合于发动机带动力情况下结冰过程水滴收集率计算的三维数值方法和计算程序.其基本思路为:采用多块技术与SIMPLE方法计算空气流场,以流场分布的计算结果为基础,求解水滴相的控制方程,进而获得物体表面的水滴收集率.空气相控制方程和水滴相控制方程均写成典型输运方程的形式,采用一致的有限体积法离散求解,方便了计算程序的编制.对某型运输机巡航构型有/无动力条件的水滴收集率进行了比较计算,获得了不同直径水滴在飞机表面的撞击特征以及水滴收集率在飞机机翼、平尾、垂尾和发动机进气道唇口上的分布规律.研究表明:(1)发动机是否带动力对机翼、平尾、垂尾的水滴收集率基本无影响;(2)飞机带动力主要影响发动机进气道唇口处的水滴收集率,带动力后唇口的收集率比无动力情况高,水滴撞击范围增大,在进行防除冰研究和设计时需引起重视.     

过冷水滴撞击三维机翼的数值模拟

基于欧拉两相流理论,提出一种数值模拟过冷水滴撞击三维机翼的方法.根据水滴拟流体模型建立三维水滴控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对机翼表面的撞击;由水滴流场的求解结果得到机翼表面的水滴收集特性.对ONERA M6机翼表面的水滴收集特性进行了研究,计算结果表明所提出的数值模拟方法是有效、可行的,可以为三维积冰的数值模拟研究奠定良好的基础.      

飞机热气防冰系统研究

介绍了飞机热气防冰系统的应用背景及基本结构，回顾了其发展历程及国内外研究现状.从防冰表面水滴撞击特性计算、蒙皮外部结冰/溢流水模型建立、热气防冰腔内部结构参数研究以及多物理场防冰表面内外耦合仿真这4个关键问题角度，分析了热气防冰系统的主要研究内容.分析表明:准确预测三维溢流冰形成过程、优化热气防冰腔内部结构参数、确定防冰安全边界和防冰裕度以及冰风洞防冰系统实验的参数缩比等关键研究点是热气防冰系统的发展趋势.