民用飞机翼面冰形的工程修正

翼面结冰是威胁飞行安全的重要因素之一。以数值模拟结冰为基础,进行了翼型结冰的工程修正方面的研究。运用结冰分析软件Sadrice,对不同状态下的不同翼型进行表面冰形数值模拟。结合结冰风洞试验结果,对影响冰形的参数进行了变参研究,得到了最有效的修正方法。对现有对流换热系数经验公式进行线性修正,使修正对流换热系数经验公式后的预测冰形和冰风洞试验结果之间能够较好地吻合,最终总结出了一套工程修正数值模拟冰形的方法。     

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。      

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。     

等离子体冰形调控改善翼型/机翼气动性能的试验研究

飞机结冰是严重影响飞行安全的潜在危险因素之一.本文针对飞机结冰问题提出了保障结冰条件下飞行安全的等离子体冰形调控方法,开展了基于等离子防除冰冰形调控的冰风洞试验,进行了冰形调控规律的探索,并在无人机上对冰形调控方法进行了验证.结果表明,等离子体冰形调控可按照设计的布局防止结冰从而获得所预期的调制冰形;单个冰形宽度与弦长比即无量纲冰形尺寸(d/c)和单个冰形宽度与单个无冰间隙宽度比即无量纲调控比例(d/l)决定了调控效果;对于固定的无量纲调控比例,无量纲冰形尺寸比值在0.1～0.2之间时获得最佳的升力系数;无量纲调控比越低,机翼升力系数越高.在无人机飞行测试中,通过前缘冰形调制策略提高飞行气动性能的验证,结果表明:相比于机翼前缘全结冰,前缘冰形调制后,失速迎角延迟4°,在大迎角下的升力系数普遍恢复了20％～30％.本文给出了冰形调控的方法和调控规律,并指出选用合适的无量纲冰形尺寸和调制比有助于获得结冰条件下最佳的气动性能,同时通过无人机飞行试验验证了方法的有效性.     

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...     

民用飞机机翼结冰试验与数值预测

描述了某民用飞机在意大利IWT（icing wind tunnel）冰风洞的机翼结冰试验结果.根据冰风洞试验状态点,开展了基于拉格朗日方法和Messinger模型的冰形数值预测,并对试验冰形和数值预测冰形进行了对比分析.霜冰的数值预测结果与试验结果一致性良好,对于明冰,数值结果和试验结果存在一定的差异,原因在于:①明冰结冰过程中较强的绕流变化增大了冰积聚非定常效应对数值预测的影响;②采用的结冰热力学模型对明冰的模拟存在一定局限性;③明冰对于冰风洞设备工况和试验模型表面粗糙度的影响更为敏感.      

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%.      

基于多模态融合的任意对称翼型结冰预测方法

为解决目前绝大多数神经网络冰形预测方法只能针对特定翼型且不具备面向多翼型特征的普适性的问题，采用基于多模态融合的深度神经网络方法，以翼型截面图像与结冰工况参数作为输入，以二维冰形曲线傅里叶级数拟合参数作为输出，建立深度神经网络预测模型，实现了对任意对称翼型结冰特征的预测能力。结果表明：提出的模型可以准确地预测任意对称翼型几何特征条件下的结冰外形，冰形面积与最大冰厚等冰形主要参数预测误差均保持在10%以下。     

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.      

锥角对旋转整流罩积冰影响的模拟实验

采用缩比模型对4种不同锥角的旋转整流罩进行了冰风洞积冰模拟实验.推导出旋转表面积冰相似参数,并根据重要参数的匹配确定缩比整流罩模型的积冰实验参数.在实验中采用高速摄像系统记录冰生长过程及最终冰形.结果表明:4种锥角的整流罩表面积冰均由初期生成、分布连续的明冰和后期增长迅速的白色霜冰构成;锥角小于等于74°的整流罩表面霜冰为针状或粒状,积冰厚度较小;锥角大于80°的整流罩表面霜冰为羽毛状,积冰厚度较大,并伴随冰脱落现象,锥角较大的整流罩冰脱落位置向下游移动.      

适用于多迎角结冰试验的混合翼型设计

为突破结冰风洞对翼型模型尺寸的限制,提出了一种新的混合翼型设计方法,可使用一套混合翼型模拟原始翼型在不同迎角下的结冰试验,弥补了以往混合翼型只能在单个设计迎角下使用的缺陷.方法采用多段翼的形式设计混合翼型,以多目标迎角等结冰试验条件作为设计输入,优化设计主翼外形和襟翼的位置、偏转角度,利用襟翼位置和偏转角度的变化实现混...     

基于等 Weber 数的结冰外形修正

由于设备条件的限制,在进行结冰风洞试验时,试验 Weber 数与目标 Weber 数往往存在差异,为了获得与目标 Weber 数对应的冰形,需要对试验结果进行修正。本文分析了进行 Weber 数修正的原因,提出了根据几何特征量进行结冰外形修正的方法,并以某超临界翼型为对象,对不同 Weber 条件下的结冰外形进行了仿真,研究了Weber 数变化对结冰的影响规律,在此基础上开展了基于等 Weber 数的结冰外形修正。研究发现：(1)Weber 数主要影响冰角特征,对水滴收集特性、结冰极限及驻点冰厚度影响较小;(2)存在一个敏感 Weber 数,低于敏感值时, Weber 数变化对结冰影响不大,当 Weber 数高于敏感值时,Weber 数变化对结冰有明显影响;(3)采用本文提出的冰形修正方法,能保证冰形的宏观轮廓与目标冰形一致,修正后的冰形能适量消除由于 Weber 数误差导致的冰形差异,提高试验的精度。     

基于变分分割模型的结冰冰形测量方法

结冰冰形是结冰风洞试验中关注的要素之一,针对其冰形测量问题,提出了一种基于变分图像分割技术的非接触测量方法。基本思路是对翼型结冰俯视图像进行图像分割,将获得的曲线标定后与翼型数模结合,得到最终结冰冰形。为了排除结冰图像中不相干物体和因素的干扰,更精确获取结冰冰形,提出了选择分割的思想,构造了区域特征函数,建立了新的能量函数。采用所提基于变分分割模型的测量方法,对结冰风洞试验冰形进行了测量,并定量分析了方法的误差,测试了方法的抗噪声能力。结果表明该方法对结冰冰形的测量是准确可行的,且具有较高的精度,另外,其对噪声具有鲁棒性。所提方法可推广至其他与物体形状相关的测量中。     

动态结冰微观孔隙结构定量分析

过冷水撞击低温基底结冰是典型的动态过程,易形成气泡孔隙,这一孔隙结构是决定动态结冰热/力学特性的根本因素。针对动态结冰微观孔隙结构定量研究的不足,以风洞结冰显微图像为对象,采用前期提出的变分分割模型,建立了结冰图像孔隙提取方法;基于孔隙提取结果,系统分析不同结冰条件下的孔隙形态、孔径分布等相关结构特征,提出了孔隙类球形、孔径分布连续的结论,并建立了孔隙孔径分布函数,推导了其概率密度函数。结果表明,变分图像分割方法作为孔隙提取的手段具有适用性和优越性,所提孔隙结构相关定量结果与试验数据具有较高的吻合度,基于此开展动态结冰微观结构定量研究是可行的。     

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.      

四自由度飞机结冰脱落模拟研究

飞机表面的冰粒脱落可能会对安装在尾部的发动机和其他飞机部件造成破坏,直接影响到飞机的安全飞行。在对实际结冰脱落过程进行合理简化的基础上,建立了四自由度结冰脱落轨迹模型,应用3阶Runge-Kutta方法求解冰粒运动方程,并嵌入了气动阻尼对冰粒轨迹的影响;同时将计算得到的冰粒轨迹及转角与文献中的计算和试验结果进行了对比验证;最后模拟并分析了不同形状、尺寸、初始俯仰角及气动阻尼对于冰粒运动轨迹的影响,为飞机表面结冰脱落的进一步研究工作提供了参考。