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。     

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。     

考虑水膜蒸发的三维明冰积冰数值研究

明冰积冰过程中冰层表面会覆盖一层薄水膜,水膜在冰层表面流动和传热,水膜蒸发会引起质量和能量传递,对积冰相变产生影响。为了研究水膜蒸发对积冰的影响,在已有三维积冰模型的基础上,考虑了明冰积冰过程中水膜的蒸发,建立了考虑水膜蒸发的三维积冰数学模型,并开发了相应的积冰计算程序。选取NASA提供的典型算例,模拟了明冰积冰条件下NACA0012翼型的积冰过程,并将计算结果与NASA试验和数值结果进行对比。结果表明水膜的平均蒸发量为1.5g/(m~2·s),蒸发吸收的热量占总传热的35%。与不考虑水膜蒸发的计算结果相比,本文得到的积冰量和冰形都与试验结果具有更好的一致性,说明三维明冰计算中考虑水膜蒸发是有必要和合理的。     

机翼三维结冰数值模拟

采用欧拉-拉格朗日法计算空气、水滴两相流动,根据质量守恒和能量守恒计算结冰量和溢流水量,溢流水的流动方向及不同方向的流量分配由当地空气的速度矢量、网格边界的法向量计算得到。采用非稳态方法、非结构网格计算了NACA0012平直翼、截面为GLC-305的后掠翼的结冰,并与文献中的实验结果进行了对比,结果显示最大结冰厚度与实验吻合较好,预测的冰形与实验冰形发展趋势一致。计算结果表明,提出的三维结冰计算方法是有效、可行的,为三维结冰计算提供了一条可选的途径。     

迎风面三维积冰过程中水膜流动的计算方法

对影响迎风面三维积冰过程的冰层表面水膜流动进行分析,建立描述其流动的数学模型,引入在流动前锋下游预设薄水膜的方法处理其在表面干区的流动推进过程,提出超过临界厚度的水膜被吹除的方法处理角状冰下游局部水膜被吹离表面的现象.通过对翼型-平板结构中翼型上的冰形对比和水膜流动规律分析,验证了该水膜流动数学模型的合理性和计算方法的可行性.研究表明:与Messinger模型相比,积冰模型中引入水膜流动后,可以较好地模拟三维明冰积冰,同时明冰极限的模拟结果也更接近试验值;冰层表面的水膜厚度约为10-5m,流动速度约为10-2m/s.      

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。      

翼型表面明冰的数值模拟

提出一种翼型表面明冰的数值模拟方法.基于欧拉两相流理论,建立空气、水滴两相流控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击;采用考虑了粗糙度影响的边界层积分法求解结冰表面的对流换热特性,基于经典Messinger模型提出明冰数值模拟的热力学模型;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,采用积冰法向生长假设生成积冰外形.对NACA 0012翼型在不同环境温度下的明冰冰形进行了预测,并与实验结果进行了对比.      

二维机翼混合相结冰数值模拟

近年来冰晶引发的飞机结冰问题逐渐引起人们的重视。针对冰晶和过冷水滴同时存在的混合相结冰问题,通过数值模拟的方法实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热的计算中采用了转捩剪切应力输运（SST）湍流模型,基于欧拉法计算冰晶和水滴收集系数。在Messinger结冰热力学模型基础上进行扩展,分析了二维结冰部件表面在混合相气象条件下的传热传质过程,建立了适用于混合相的结冰热力学模型,同时考虑冰晶的黏附效应,添加黏附效率经验公式。利用FLUENT的用户自定义函数（UDF）编程求解混合相热力学模型,计算了霜冰和明冰条件下NACA0012翼型表面结冰情况,与国外风洞试验结果进行比较,验证了计算模型和方法的有效性。结果表明,冰晶黏附效应对混合相结冰量及冰形有很大影响,明冰条件结冰形状偏向楔形。     

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。      

翼型表面粗糙度对结冰的影响分析

飞机的结冰表面出现微小的凹凸不平,即形成所谓的粗糙度,对飞机气动性能产生一定的影响。在考虑表面粗糙度时,针对对流换热系数的计算建立了热力学模型,同时对只有单个粗糙微元的表面进行了流场计算和表面对流换热效果分析;然后利用边界层积分方法,对某一翼型光滑表面和不同程度的粗糙表面分别进行了流场计算、对流换热系数计算以及结冰冰形的模拟仿真。结果表明：结冰表面粗糙度很大程度增强了表面的对流换热效果,导致在翼型前缘位置结冰厚度更大、冰角突出更为明显并且距离驻点区域更近。     

A spongy icing model for aircraft icing

Researches have indicated that impinging droplets can be entrapped as liquid in the ice matrix and the temperature of accreting ice surface is below the freezing point. When liquid entrapment by ice matrix happens, this kind of ice is called spongy ice. A new spongy icing model for the ice accretion problem on airfoil or aircraft has been developed to account for entrapped liquid within accreted ice and to improve the determination of the surface temperature when enter- ing clouds with supercooled droplets. Different with conventional icing model, this model identifies icing conditions in four regimes： rime, spongy without water film, spongy with water film and glaze. By using the Eulerian method based on two-phase flow theory, the impinging droplet flow was investigated numerically. The accuracy of the Eulerian method for computing the water collection efficiency was assessed, and icing shapes and surface temperature distributions predicted with this spongy icing model agree with experimental results well.     

运输机翼型结冰的计算和实验

采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段,对某运输机机翼剖面缩比翼型的结冰特性进行了研究.结冰实验在气动中心0.3m×0.2m结冰风洞中进行,实验模型为弦长0.18m的层流翼型.翼型的绕流流场通过求解低速黏流的时均Navier-Stokes(N-S)方程得到,采用拉格朗日法计算水滴撞击特性,在此基础上,求解结冰热力学模型...     

模拟飞机迎风面三维积冰的数学模型

针对飞机迎风面的积冰建立了三维积冰模型,给出了模型的求解方法和求解步骤.该模型不但可以模拟明冰积冰、霜冰积冰和不结冰三种情况下的冰层生长,还可以模拟未凝结水膜在冰层表面的流动,而且在求解过程中可以自动判断过冷水滴撞击到迎风面以后的积冰形态.利用该模型数值模拟了翼型与平板相正交而形成的简单三维结构上的积冰过程,并将所得结果中翼型上三维冰形的二维截面与美国航空航天局(NASA)的冰形进行了对比,获得了较好的一致性,证实了所建立的积冰模型是合理的.      

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...     

飞机机翼结冰过程的数值模拟

提出了一种适用于各种结冰气象条件下飞机机翼结冰过程的数值模拟方法。结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,对不同气象条件下飞机机翼的结冰过程进行了数值模拟,得到了4°攻角NACA-0012翼型表面霜状冰、混合冰及瘤状冰3种冰形。所得冰形与文献中的试验数据和计算结果吻合良好,表明本文方法有效。另外还计算了不同的冰形对机翼升、阻力的影响,结果表明瘤状冰对机翼气动特性的影响最大。      

翼型结冰过程数值模拟验算与分析

应用FENSAP-ICE结冰计算软件,对NACA0012翼型进行了流动特性、水滴撞击特性以及冰型生成过程的计算;同时,对结冰前后的翼型进行气动力特性计算对比分析,其中包括升力特性对比、阻力特性对比、流场细节分析以及压力系数分布对比。计算结果表明：翼型前缘结冰后,导致翼型前缘气流提前分离,最大升力系数、失速攻角大幅减小,...