水平表面气流剪切作用下的水膜厚度

飞机结冰表面上的液态水受气流吹拂作用会发生向后溢流,从而影响结冰区域范围及防冰系统设计;为了获得水膜流动规律,对水平平板表面上气流剪切驱动的水膜流动进行了实验测量和建模分析。通过水膜流动风洞试验台产生高速气流驱动水膜的流动,使用色散共焦位移计测量同一位置的水膜在不同时刻的厚度变化,结果表明气-液界面由底层薄水膜和多种尺度的波动组成,具有变化速度快随机性强的特点。通过水膜厚度随气流速度及水膜雷诺数的变化规律,发现平均水膜厚度与两者均呈现出单调非线性的依赖关系。基于薄水膜流动理论和平均水膜厚度实验结果,提出了高速气流剪切作用下的气-液波动界面剪切因子计算式,适用于风速17.8~52.2m/s,水膜雷诺数26~128之间的平板水膜流动计算。     

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。     

气液两相流混合模型代数重构方法

为提高国家数值风洞工程气液两相流软件混合模型求解器的自由界面模拟分辨率，增强多介质流体界面问题的模拟能力，基于代数重构方法，应用双曲正切函数界面捕捉格式对体积分数进行了插值重构，实现两相流混合模型与自由界面代数重构方法的耦合，抑制原混合模型下自由界面的非物理耗散现象，保持界面清晰尖锐；引入预处理技术，解决低速流动中由于特征值量级差距导致的计算刚性问题，提高收敛速度；应用双时间进行非定常时间推进。最后，采用方块对流、Zalesak盘刚性旋转和溃坝算例进行考核验证，数值结果显示，耦合了双曲正切函数界面捕捉格式的两相流混合模型在保持质量守恒的同时，获得了更高的自由界面分辨率，以及更丰富的多相流动细节。     

翼面结冰过程中的冰晶运动相变与黏附特性

冰晶的运动、相变、黏附现象广泛存在于航空发动机内部结冰过程中，开展相应的计算方法研究，系统分析冰晶运动相变与黏附特性是研究发动机内部结冰、保证飞行安全的迫切需求。针对冰晶运动相变及黏附特性计算，建立了拉格朗日框架下冰晶运动-传热传质耦合的数值计算方法，分析了基于Monte Carlo方法的冰晶撞击与黏附收集系数计算方法，基于NNWICE平台开发了相应的计算程序。以NACA0012翼型为对象，计算研究了扁椭球状、六角平板状和长椭球状3种非球状冰晶颗粒与球状冰晶的运动、传热传质过程，系统分析了来流温度等参数对冰晶黏附特性的影响，得到了冰晶形状对冰晶运动轨迹和融化过程的影响规律及来流总温与液态水含量/总水含量（LWC/TWC）对冰晶黏附特性的影响规律。相关工作为进一步分析混合相结冰数值模拟计算奠定了工作基础。     

航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算

主轴承腔是航空发动机润滑系统油气两相流的重要区域,了解滑油及密封空气在腔内的分布预测对于认知腔内两相流动具有重要的意义。利用VOF数值计算模型对某航空发动机轴承腔简化模型内油气两相流进行了数值计算,定义无量纲数β^＋用来分析腔内两相分布。计算结果与现有实验数据符合良好。给出了滑油在腔内的相界面分布,描述了腔内的油膜分布及运动,并且分析了无量纲数β＋在腔内周向分布及出口处随着转速及滑油进口流量的变化规律。     

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。     

真空条件下液滴闪蒸的非均温建模与分析

为深入揭示液滴在真空环境下的闪蒸机理，建立了真空闪蒸全过程、非均温的传热传质数学模型，获得了各时刻液滴温度场及半径，并能够追踪结冰阶段的相变界面位置.通过开展液滴闪蒸的实验研究，观察了相变前后液滴的形态变化，并对数值模型进行了验证.基于数学模型，研究了液滴初始半径、初始温度、真空舱压力和结冰过冷度对闪蒸过程的影响规律.结果表明:真空舱压力是影响闪蒸过程的主要因素，且会影响最终平衡温度；初始半径主要影响预冷和冻结时间，而初始温度和结冰过冷度主要只影响预冷时间.      

基于试飞数据的航空发动机加力瞬态过程模型辨识

为了对某航空发动机慢车至最大以及最大至慢车加力瞬态过程的工作状态进行监控,在该发动机实际飞行试验数据基础上,基于三层前向人工神经网络,辨识得到了该型发动机加力瞬态过程模型,对模型预测精度进行了分析讨论,利用额外的飞行试验数据对模型进行了检验。结果表明,辨识模型能够指示加力燃烧室工作状态,模型计算模拟参数与实际飞行试验数据吻合良好。该辨识模型可应用至该型发动机飞行试验的实时监控中,也可为其他型号发动机模型辨识提供参考。     

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。     

基于极值理论的平尾结冰飞行风险评估

提出了结合极值理论与Copula模型来量化评估平尾结冰条件下飞行风险概率的方法。通过建立人-机-环复杂系统模型,对平尾在进近与着陆过程中的结冰情形进行仿真,采用蒙特卡罗法提取平尾结冰极值参数,验证了所提取极值参数符合一维广义极值（GEV）分布,根据飞行风险的定义和相关安全性准则,建立了平尾结冰飞行风险发生的判定条件,计算得出一维极值飞行风险概率;在此基础上选取Copula模型来描述二维极值参数的相关性,对多种Copula模型的未知参数进行辨识,通过拟合优度检验对精度进行验证,得出Joe Copula模型对二维极值分布的描述最为准确,运用Joe Copula模型计算出二维极值飞行风险概率,有效解决了一维极值具有的局限性。所提方法对飞行安全评估等理论有一定参考价值,能为平尾结冰飞行事故的预防提供分析和检验依据。     

基于吸引域与二元极值理论的结冰飞机飞行风险量化评估

结冰会导致飞机飞行包线萎缩，在驾驶员没有正确处理的情况下极易发生飞行事故。为定量计算结冰条件下飞机飞行风险进而制定合理的结冰风险规避策略，以飞机纵向动力学系统为分析对象，基于吸引域方法计算得到飞机结冰后的二维吸引域及稳定边界，并以飞行状态超出稳定边界作为飞行事故判定条件。建立了典型的人-机-环系统模型，通过蒙特卡罗仿真提取了飞行安全关键参数极值样本；根据极值理论，建立二元极值Copula模型；通过遗传算法辨识模型参数，依据多种拟合优度检验方法确定最优分布模型，进而计算不同结冰影响程度下的飞行风险概率，并由此来指导驾驶员操纵，从而保证飞行安全。文中所述方法，为定量计算结冰条件下飞行风险概率提供了新的思路，具有较好的工程应用前景。     

非对称结冰条件下的飞机飞行动力学仿真

飞机结冰是威胁飞行安全的重要因素之一,因此对结冰问题的研究显得尤为重要。基于非对称结冰模型,对飞机在结冰条件下的飞行动力学特性进行了仿真研究。提出了一种精确的结冰程度计算模型,建立了飞机非对称结冰模型,模拟了飞机在非对称结冰状态、不同结冰严重程度以及不同飞行阶段对结冰引起的滚转及偏航力矩的动态响应特性,并探讨了结冰对飞机飞行性能的影响。仿真结果表明,非对称结冰使飞机飞行性能恶化,而且飞机在非对称结冰状态下极易偏离正常飞行状态,对飞行安全造成巨大威胁。     

结冰对飞机飞行包线影响分析及控制

为解决飞机在结冰后因飞行包线范围缩小而危及飞行安全的问题,针对飞机纵向三自由度非线性模型分析了翼面结冰对飞行包线的影响。在二级折线软限制式迎角限制器中引入结冰信息,综合考虑各个结冰传感器信号,通过比较采用对迎角、襟翼偏度限制最大的结冰信号来设定限制器阀值,在线/实时地改变可用飞行包线范围,使结冰飞机在缩小的飞行包线范围内能够安全飞行。仿真计算表明,该方法实用有效,可供飞机结冰问题研究人员参考。     

待机状态下机翼结冰的快速计算方法

飞机在飞行过程中遭遇结冰气象,尤其是过冷大水滴结冰条件所导致的机翼结冰,将严重影响飞机的气动性能与操纵品质,从而导致飞行故障或飞行事故,是飞机飞行安全的重要影响因素,是飞机研制中必须重点解决的难题。虽然针对结冰已建立有多种计算仿真程序,但快速获得结冰模拟冰形,包括过冷大水滴条件下的结冰模型是工程师们一直追求的解决方案。利用前向多层神经网络,尝试建立了一种针对待机状态下的机翼结冰模型。此方法基于坐标转换原理,将获取的采用直角坐标表达的标准翼型的机翼结冰数据转换为对应的极坐标表达的数据,以飞行参数、气象参数和极坐标角度作为输入,极坐标模值作为输出训练构建出此种机翼结冰模型。使用所建立的模型,仿真预测结果表明该计算方法具备快速性和精确性,其计算精度可满足实际要求。     

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。     

混合相态冰晶积冰的数值研究

在发动机内流的高温作用下,所吸入冰晶会部分融化为液态水,冰水混合相态条件下发动机内部表面会形成积冰,冰晶积冰会导致发动机喘振、熄火,甚至会由于冰脱落而造成内部结构损伤。为了对混合相态条件下冰晶积冰问题进行深入研究,以NACA0012翼型为对象,通过数值计算分析研究了环境温度、马赫数等参数对积冰形态、收集系数以及积冰生长率的影响,并分析了融化率对积冰过程的作用机制。结果表明:混合相结冰条件下若达到最大结冰厚度,需满足有足够的冰晶和液态水含量条件;环境温度直接影响了湿球温度变化,而随环境温度升高,液膜的厚度和润湿范围也随之增大。此外降低环境温度或增大马赫数,翼型前缘驻点处结冰量和积冰速率均有明显增加。     

结冰飞机着陆阶段飞行安全包线确定及操纵应对策略

结冰会导致飞行安全包线收缩、严重威胁飞行安全,研究结冰后安全包线变化对于操纵应对策略设计及提高飞行安全具有重要意义。以美国国家航空航天局（NASA）的项目飞机GTM（Generic Transport Model）为研究对象,通过对飞机的气动参数进行多项式拟合,建立了结冰飞机纵向通道的动力学模型。为了得到能随结冰程度变化的安全包线,将可达性分析理论引入到对结冰飞机着陆过程的安全性分析。提出将正向可达集与反向可达集的交集作为飞行安全包线,其中可达集的确定是基于水平集方法求解哈密尔顿-雅克比方程的最优解。最后针对不同程度的结冰条件进行了操纵时域验证,并提出了相应的操纵控制策略。研究结果表明,轻度结冰对安全包线影响较小,整个着陆过程的飞行状态始终能在最优控制指导下保持在安全包线以内;但对于重度结冰,飞行安全包线收缩严重,常规操纵已经很难使飞机达到着陆要求,需要进行飞行状态改出处理。研究结果为指导飞行操纵及实时包线保护打下基础。     

基于神经网络自适应动态逆的结冰飞机飞行安全边界保护方法

考虑到飞机带冰飞行的安全问题，对结冰飞机进行安全边界保护成为一种有效的解决手段。基于神经网络自适应动态逆跟踪性能好、鲁棒性强的优点，提出了以安全关键飞行参数限制值作为神经网络自适应动态逆的输入，获取可用舵面偏转角的边界保护方法。建立了飞机本体动力学模型，采用高精度的数值模拟方法获得结冰数据库。设计了神经网络自适应动态逆控制律，通过在动态逆环节引入单隐层神经网络，对不确定性逆误差进行自适应补偿，增强了控制系统的鲁棒性。以俯仰姿态保持模式为例设计了结冰飞行闭环安全边界保护系统。以结冰飞机最小平飞速度的估算值作为飞机最低飞行速度，设计自动油门控制系统，实现对飞行速度的保护。通过仿真验证了设计的控制律具有较强的鲁棒性。对结冰严重程度线性增加情形下飞机状态参数的动态响应进行了分析。仿真结果表明，所设计的结冰边界保护系统，能够实现飞机在容冰飞行过程中对安全关键参数如迎角、飞行速度的实时保护。     

液氢/液氧火箭发动机喷雾燃烧过程三维数值模拟

用三维湍流Ｎ－Ｓ方程及拟流体模型描述液体火箭发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,两相之间的质量交换采用蒸发模型计算,气相化学反应速率采用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式计算。采用ＳＩＭＰＬＥＲ与ＩＰＳＡ算法求解两相控制方程并对氢氧发动机燃烧流动过程进行了三维数值分析,得到了发动机推力室内燃气参数的详细分布情况。结果表明对氢氧发动机而言,蒸发过程非常快,推进剂混合过程是燃烧过程的决定因素。     

基于量纲分析法分析民用飞机燃油系统管路结冰特性

飞机在飞行的各阶段,燃油与大气中混入的水分会进入燃油系统。由于外界温度降低,系统管路的管壁会发生结冰现象,从而影响管路供油压力及供油量。燃油系统管路结冰会影响飞机发动机的运行安全,从而威胁飞行安全。因此,研究燃油系统管路结冰特性对于优化燃油系统设计具有重要作用。为分析民用飞机燃油系统管路结冰特性,本文基于试验数据,采用量纲分析法建立了可以初步用于计算管路结冰试验的压降计算模型。通过对比计算结果和试验结果,结果表明：在所选试验范围内,管路结冰试验的压降模型计算结果与试验变化趋势一致,平均相对误差10.35%;管路直径越小,管路结冰造成的压降损失越大;温度越低,管路结冰造成的管路压降越大,当温度低于-11℃后,压降增大的速率变小。