不同来流条件对机翼结冰及气动特性影响研究

针对三维机翼结冰问题,基于Navier-Stoke控制方程,采用多时间步长的计算方法,通过求解气液两相流的Eluer法得到空气中水滴的轨迹,再根据Messinger模型计算结冰冰形来实现对机翼结冰的数值模拟。首先以三维NACA0012机翼为研究对象,进行结冰数值模拟方法验证,随后计算不同迎角和不同来流速度对三维ONERA M6机翼结冰冰形的影响,最后分析了机翼结冰对气动特性的影响规律。结果表明,结冰后机翼的阻力系数增大,升阻比减小;来流速度对机翼前缘的结冰类型影响较大,当机翼前缘的结冰类型由霜冰变为混合冰时,将使机翼的气动特性恶化。     

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。     

基于CFD的机翼结冰过程分析

采用一种适用于分析机翼结冰过程的数值模拟方法,该方法在飞机结冰气象条件下采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）对机翼流场进行计算,获得流场中二维机翼翼型的水滴撞击特性,并遵循质量和能量守恒方程,计算出机翼表面的结冰量,预测出机翼的积冰形状。所得冰形与文献中的试验数据吻合良好,表明数值模拟方法有效。另外还分析了结冰对机翼升力、阻力和压力系数的影响,其结果可以指导飞机机翼防／除冰系统的设计研究     

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.      

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。     

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.      

翼身融合布局与传统布局飞机结冰特性对比分析

翼身融合（BWB）布局是提升未来民机综合性能的重要布局方式，其结冰飞行安全问题逐渐受到人们重视。针对翼身融合布局飞机与常规布局飞机的结冰问题，本文通过数值模拟的方法来开展结冰特性研究。本文提出基于Navier-Stokes方程对空气流场进行求解，并应用欧拉法计算水滴撞击特性，之后采用Shallow-Water结冰热力学模型的结冰计算方法。首先，通过将翼身融合布局飞机和传统布局飞机的计算结果与风洞试验数据进行对比，验证空气流场计算的正确性，并将两者进行对比分析；其次，数值预测飞机表面冰形的特征，将两种布局飞机结冰特性进行对比，结果表明，结冰对两种布局飞机气动外形的破坏程度从后掠翼翼根至翼尖逐渐变大，但传统布局飞机结冰只发生在机翼前缘和机头处，而翼身融合布局飞机前部几乎都发生了结冰，可为相关的结冰特性研究及防除冰设计提供技术参考。     

三维机翼结冰模拟

针对机翼结冰问题,利用欧拉法求解空气水滴两相流流场,通过Fluent软件用户自定义函数功能编程求解三维机翼表面水滴局部收集系数以及结冰情况.在计算中.将水溢流方向沿机翼弦向和展向分解,以此对Messinger结冰热力学模型进行改进,使之更符合三维情况,并在此基础上进行三维传质传热分析;修正传统的二维表面对流换热系数求解...     

用全位势方程计算机翼的亚声速,跨声速和超声速绕流

对大后掠小展弦比细长机翼,本文对机翼纵轴垂直的每一横流截面生成O型网格,形成对机翼流场的H-O型网格,用守恒型全位势方程、差分和隐式近似因式分解迭代算法计算绕机翼的可压缩位流。自由流可从亚声速直到低超声速的全部跨声速范围。本算法要求机翼前缘有大后掠角,后缘可稍许后掠或前掠。本文算例表明,所研制的计算程序已可提供工程实用。     

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。     

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.     

横流不稳定性转捩预测模型

由于Langtry和Menter提出的γ-Re_θt边界层转捩模型只能预测流向的边界层转捩现象,因此继续改进该转捩模型使其具有横流不稳定性转捩的预测能力显得非常必要。通过对经典Falkner-Skan-Cooke (FSC)三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合Thwaites压力梯度因子与当地后掠角构建的函数关系来求解复杂构型的当地Hartree压力梯度因子β_H以及形状因子H₁₂,采用由试验数据标定的C1准则关系式获得横流转捩位移厚度雷诺数,从而建立能够对复杂构型进行横流不稳定性转捩预测的转捩判据。应用所建模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和变前缘后掠角的DLR-F5机翼以及标准6:1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟,计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好,证明了该模型的合理性和实用性。     

后掠翼边界层横流不稳定转捩预测模型

通过对经典Falkner-Skan-Cooke三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合二维边界层转捩判据的思想,采用由试验数据标定的C1准则关系式求解横流不稳定转捩位移厚度雷诺数,建立了针对固定前缘后掠角机翼的横流转捩判据,并且通过方程求解和数据拟合得到了该转捩判据的数学结果.应用该模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼进行了横流不稳定转捩数值模拟.模拟结果显示:改进后的转捩模型预测所得到的转捩位置精度较高,均与后掠翼横流试验数据吻合较好,从而证明了构建的横流不稳定转捩判据的合理性和实用性.      

结冰区流场特征一致的混合缩比翼型设计

提出了一种基于翼型前缘范围流场相似的多控制点混合缩比翼型优化设计方法:以前缘局部范围内的空间流场特征相同为目标,采用多目标遗传优化算法结合翼型参数化、多控制点、网格自适应技术及CFD,进行了不同工况下的混合缩比翼型设计,分别通过低湍流度风洞及结冰风洞对翼型的气动性能及积冰过程进行了实验。设计及实验结果表明:该混合缩比翼型与对应的全尺寸翼型在前缘15%弦长范围内的压力系数偏差均在5%以内,翼型绕流相似;在相同时间历程内两者的冰型增长及气动特性均具有相同的变化规律。该设计方法可以应用于不同实验状态下的混合缩比翼型的设计,提高多状态下结冰实验效率。     

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。      

飞机结冰的不确定性量化研究进展

为深入认识影响飞机结冰的不确定性及其研究方法,从自然条件结冰、冰风洞试验、数值模拟等方面,介绍了飞机结冰不确定性来源,以蒙特卡洛法、多项式混沌法和随机配置法等为例,系统分析了各种不确定性量化方法在计算能力、求解精度等方面的优劣。考虑飞机结冰不确定性量化处于起步时期,重点综述了数值模拟中结冰条件不确定性对冰形和气动特性的影响。从结合单步法和多步法确定最佳结冰时间步长来提升结冰计算精度和效率、对其他关键部件进行结冰不确定性量化从而为更精细化的防/除冰系统的设计提供支撑,以及通过建立高精度的代理模型来代替原本复杂的数值模拟系统以应对考虑多个不确定性因素共同作用所带来的计算挑战等多个方面,全面展望不确定性量化方法及其在飞机结冰应用中的发展方向。     

飞机结冰在线辨识方法研究

开展飞机结冰气动特性在线辨识研究,不仅可以用于分析结冰对飞机气动特性的影响,而且对于飞机结冰在线识别具有重要的意义。近年来卡尔曼滤波和 H ∞算法在飞机结冰在线辨识中应用较多,二者均具有可靠性高、收敛快等特点,但对于噪声环境下算法的可靠性和精度评估还不够充分。本文针对飞机结冰在线辨识需求,探讨了扩展卡尔曼滤波和 H ∞算法作为结冰在线辨识算法的应用。首先通过 NASA 双水獭结冰研究飞机算例,利用扩展卡尔曼滤波和 H ∞算法,辨识双水獭飞机结冰后的俯仰方向导数,通过考虑阵风扰动和测量噪声后的仿真数据快速估计该飞机俯仰方向上的三个稳定和控制导数,并将辨识结果与参考值对比,发现两种算法均能在2s 之内快速收敛到参考值附近,且滤波得到的状态量与仿真数据吻合较好,说明算法可靠性高且收敛快,具备飞机结冰在线探测的能力。在此基础上利用不同测量噪声统计特性的仿真数据,评估测量噪声对两种算法辨识精度的影响,经分析发现随着测量噪声标准差取值增大,扩展卡尔曼滤波辨识结果精度明显降低,而 H ∞算法的辨识精度变化较小,说明扩展卡尔曼滤波辨识精度依赖于噪声先验信息的准确性,而 H ∞算法不依赖于噪声先验信息,即使数据质量较差,H ∞算法也能得到精度相当的辨识结果。     

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%.