某全机模型的水滴撞击特性分析

飞机结冰会对其飞行造成巨大隐患。应用Fensap软件,使用CFD计算方法,采用Spalart-Allmaras湍流模型对德国宇航中心(DLR)某型飞机的三维模型进行气动及水滴撞击特性分析。通过控制变量的方法,确定环境参量对水滴撞击特性的影响。结果表明:飞机速度增大,局部水收集系数减小;水滴直径减小,局部水收集效率也减小。     

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。     

水滴动力学行为对其撞击特性影响

设计了一种压电式等径离散水滴发生器,利用高速摄影的手段对水滴变形现象进行了实验研究。建立了水滴变形后的非球形阻力模型,同时引入了水滴破碎和飞溅模型,采用欧拉法对不同条件下水滴撞击NACA23012翼型的过程进行了数值模拟,并与传统模型下水滴撞击特性计算进行了对比。研究表明:水滴变形会导致其阻力系数增大,水滴阻力系数曲线在雷诺数大于500时逐渐脱离球形阻力曲线,不断增大接近圆盘阻力系数;水滴阻力特性的改变会影响水滴运动轨迹,增强水滴的气流跟随性;水滴飞溅会造成水滴质量损失,减小翼型表面局部水收集系数,这与实验数据更加吻合。      

调节角度对整流支板水滴撞击特性的影响

基于欧拉-拉格朗日法计算空气-水滴两相流场,获得了表面水滴撞击特性及撞击量,并对可调整流支板(调节角度0°和30°)的水滴撞击特性进行研究。计算结果表明:无论偏折角为0°还是30°,支板前缘处都有水滴收集,且沿着弦长方向局部收集率呈越来越小的趋势;而30°支板在偏折处也有水滴收集。同时分析了马赫数、液态水含量、水滴直径对水滴撞击特性的影响,随着来流马赫数、水滴直径的增大,水滴收集系数、撞击水量和撞击极限都是增加的;而随着液态水含量的增加,水滴收集系数和水滴撞击极限是不变的,而撞击水量却是增加的。     

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。     

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。     

变形破碎特性对SLD结冰过程影响

基于结冰过程数值模拟,针对过冷大水滴（SLD）条件下的变形破碎特性及其对成冰过程影响进行了研究。利用动态阻力计算模型,分析了水滴变形对水滴运动轨迹影响,采用基于泰勒类比理论的计算模型,研究了水滴破碎过程、子液滴粒径分布特性等。完成了NACA 0012翼型典型SLD结冰算例的数值分析,与参考文献计算结果和实验数据进行对比。结果表明:对于SLD结冰,变形和破碎主要改变了水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,在加入变形破碎特性的计算模型后,可以较好预测结冰极限位置和冰形轮廓,说明该方法对SLD变形破碎效应及其影响的模拟是可行和正确的。      

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.      

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。     

航空发动机进口支板外部热气膜对水滴撞击特性的影响

设计了4种不同气膜缝角度的防护结构，发展并验证了基于欧拉法框架的水滴撞击算法，针对直径为20μm的过冷小水滴，定量分析了气膜缝角度和吹风比对支板壁面水滴撞击特性的影响规律.研究结果表明，外部热气膜射流对水滴有明显吹袭作用，导致壁面平均局部水收集系数和撞击极限减小，而且气膜缝开孔位置越靠近支板前缘，吹袭水滴效果越明显.4种结构的平均局部水收集系数与无气膜缝结构相比分别下降了82%，8%，1%和0.5%.此外，吹风比增大会导致前缘最大局部水收集系数和撞击极限的减小变明显，尤其是气膜缝角度为5°结构的水滴撞击特性受吹风比影响最显著.前缘区域局部水收集系数呈现了相似的分布规律；支板后部区域，当吹风比增大到一定程度时，水滴被完全吹除.      

飞机机翼表面霜冰的三维数值模拟

基于欧拉两相流理论对三维情况下飞机机翼表面的霜冰进行了数值模拟.根据水滴拟流体模型建立三维水滴控制方程;提出一套水滴控制方程的数值求解方法;由三维水滴流场的求解结果计算机翼表面的水滴收集特性,提出一种三维积冰外形的生成方法,完成了对飞机机翼表面霜冰的三维数值模拟.对ONERA M6机翼在不同迎角下霜冰的积冰情况进行了数值预测,并分析了结冰条件对积冰的影响.      

三维翼面结冰过程及其影响数值研究

为得到三维机翼及翼身尾构型在结冰条件大气中的结冰过程和影响,采用结构化网格对M6机翼和翼身尾构结冰过程进行数值模拟,对飞机结冰过程的数值模拟采用欧拉两相流法求解水滴撞击特性,基于Messinger热力学模型模拟冰形增长过程,对其水滴撞击特性、结冰形状及结冰后对气动特性影响进行研究.分析结果可得:机翼展向,随着弦长变小,结冰量逐渐增多,尤其对大展弦比机翼更为明显.同时机身前端迎风面也是比较容易积冰的区域.     

MVD对翼型冰形及气动性能影响数值模拟

结冰问题严重威胁现代飞行器的飞行安全。当前,数值模拟结冰过程是一种高效的结冰问题研究方法。本文首先对OAXXX翼型生成六面体计算网格,然后对该翼型的流场、水滴撞击、结冰过程进行了数值模拟研究,重点研究了不同的MVD(平均水滴直径)对于水滴收集效率、冰形的影响,并将不同MVD情况下结冰后的翼型气动特性和结冰前进行了对比。     

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。      

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.     

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。