飞机机头附近液态水含量分布规律的数值研究

在飞行器飞行过程中,安装在机头上的各类传感器结冰会对飞机的飞行安全产生不利影响。而液态水含量是影响飞机结冰的重要参数,为了更好地进行传感器结构及布局设计,对机头附近液态水含量分布规律进行数值研究。采用计算流体力学方法对飞机飞行时的空气-过冷水滴的稀疏两相流场进行数值模拟,通过求解N-S方程获得空气流场,采用欧拉法求解水滴运动场得到水滴运动轨迹。分析在不同来流马赫数、来流迎角及液滴直径等条件下,机头关键截面上广义水滴遮蔽高度的变化及机头关键位置上液态水含量的变化规律,研究不同状态参数对液态水含量分布的影响。结果表明:水滴遮蔽高度及浓度增加区范围随马赫数增大而增加,迎角的变化对机头上下表面液态水含量分布产生相反的影响。     

双梭型SLD探测器结冰特性研究

探头式结冰探测器为主流民航或运输类飞机所采用,其用于探测常规水滴结冰条件的技术手段已相当成熟,但探测器对于过冷大水滴(SLD)结冰条件探测和识别能力尚需探索和研究,针对具有双梭型气动外形的结冰探测器,研究其在SLD和常规水滴条件下探头表面的结冰特性,结合过冷大水滴在撞击区域、运动轨迹方面的特性分析了双梭探头构型的设计原理,采用三维结冰数值模拟软件FENSAP-ICE进行空气流场、水滴场和结冰量的数值计算,获得了不同水滴直径下探测器表面的结冰分布,研究了带攻角的典型工况下对水收集和结冰特性的影响,基于光纤传感器的探冰原理,在冰风洞试验中获取探头表面不同位置处的结冰信息,并与仿真结果进行对比,研究表明:该探头构型在SLD和常规水滴结冰条件下具有明显不同的结冰分布,可以通过探测器不同位置处的结冰情况判断是否存在SLD结冰条件。     

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。     

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.     

计入离心力影响的直升机旋翼翼型结冰数值模拟

建立了一套计入离心力影响的直升机旋翼翼型结冰的数值模拟方法.首先生成围绕翼型的贴体正交网格,然后用Navier-Stokes（N-S）方程求解黏性绕流流场.在此基础上,利用拉格朗日法建立水滴运动方程.其中,为提高计算效率,提出了结合位移矢量的水滴所处单元寻觅方法.最后,结合桨叶工作特点,发展了一种计入离心力影响的三维结冰模型.通过与桨叶结冰实验的对比,验证了本文结冰预测方法的可靠性.对比常规结冰模型,桨叶结冰量减少22.3%;若考虑桨叶的挥舞运动影响,桨叶结冰量进一步减少,表明了离心力及桨叶运动在结冰数值模拟中的重要性.通过不同剖面间的结冰量和冰形对比,分析并获得了桨叶结冰特征.结果表明离心力的影响程度随径向位移的增加而增加,下翼面结冰量随挥舞角的增加而减少.      

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。     

二元翼型结冰数值模拟研究

对二元翼型前缘结冰数值模拟进行了研究。采用中心有限体积法求解N—S方程；四阶龙格一库塔法求解水滴运动轨迹方程；逐次二分法寻找水滴撞击极限，然后计算局部水滴收集率；分析翼型表面的传质、传热项，建立相应质量、能量方程并迭代求解，得到翼型表面结冰质量；根据角度二分法生成结冰冰形。预测的NACA0012结冰冰形与实验及Lewice模拟结果吻合很好，结冰过程中的特征参数与冰型及相应冰形特征吻合。     

浅析过冷大水滴规章对防冰系统设计的影响

阐述了FAA颁布过冷大水滴规章的背景,浅析了即将新增的FAR25.1420过冷大水滴结冰条件条款,以及其对机翼防冰系统和结冰探测系统设计的影响;相比14CFR附录C结冰条件,过冷大水滴结冰条件的水滴撞击区较大,更容易在结冰防护区后部形成严重的后溜冰,应增加上表面弦向防护区的范围;基于已有的结冰探测系统,在机翼上表面容易形成后溜冰的部位,装备能够齐平安装的结冰探测器作为补充,是一种有效探测过冷大水滴结冰条件的方式;浅析了FAR25附录O过冷大水滴结冰条件的分类;给出了修订后的25.1093（b）的防冰译文。     

一种基于水滴收集量代理模型的结冰试飞空域确定方法

针对自然结冰试飞空域确定时使用的结冰指数只能给出结冰概率和结冰等级的问题，提出一种新的方法。通过对美国联邦航空条例（FAR）25部附录C连续最大结冰条件采样，对采样点进行空气流场和水滴撞击特性求解，获得不同工况的水滴收集量；基于POD (Proper Orthogonal Decomposition)和Kriging构建水滴收集量代理模型；使用WRF(Weather Research and Forecasting)对目标区域进行气象模拟，获得温度以及液态水含量分布；使用代理模型对目标区域内水滴收集量进行预测，以中度结冰强度对目标区域进行划分；最后，针对2种飞行速度对试飞空域的影响进行研究。结果表明：代理模型能够很好地预测温度、液态水含量、水滴中值体积直径、高度以及速度对水滴收集量的影响；WRF获得的目标区域的温度、液态水含量与观测值符合良好；基于代理模型可快速获得目标区域水滴收集量分布及随时间的变化，还可获得适合自然结冰试飞的目标区域及结冰速度；飞行速度的增加使得水滴收集量增加，进而引起试飞空域的变化。本文对结冰试飞空域确定具有一定参考意义。     

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...     

水滴撞击特性的数值计算方法研究

 对水滴撞击特性的数值计算方法进行了研究。在对防冰部件流场进行计算的基础上,通过对水滴所在单元的判断和单元内流场速度的插值求解以及水滴运动轨迹计算边界的判断,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数,为飞机防冰系统的设计奠定了基础;此外,以发动机进气道的水滴撞击特性的计算为算例,研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响。     

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。      

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小。采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性。同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量。采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足。     

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。     

发动机防冰支板水滴撞击特性的数值研究

在对发动机防冰支板附近的流场进行计算的基础上,使用离散相模型在拉氏坐标下模拟了该流场中过冷水滴的运动轨迹,对发动机防冰支板的水滴撞击特性进行了研究.研究表明,水滴撞击极限、总收集系数和局部收集系数随飞行高度、来流速度及水滴直径的增加而增大.     

考虑遮蔽区影响的旋翼三维水滴撞击特性计算新方法

针对直升机旋翼三维黏性流场特有的复杂环境,建立了一种基于欧拉法的旋翼三维水滴撞击特性计算的新方法。首先,在旋翼桨叶嵌套网格的基础上,发展了一套用于预测旋翼绕流流场的计算流体力学(CFD)模拟方法。然后,为克服传统直升机旋翼二维水滴撞击特性计算方法的不足,充分考虑旋翼流场的三维效应,在嵌套网格中基于欧拉法求解旋翼三维水滴撞击流场。其中,为解决尾流等区域的密度脉冲现象所引起的稳定性和收敛性问题,提出并建立了遮蔽区扩散模型。该模型通过判断遮蔽区变量,在计算域中动态生成遮蔽区域,并随迭代步数逐渐扩散。最后,通过与NACA0012翼型及国外UH-1H桨叶的试验和计算结果的对比,验证了旋翼三维水滴撞击特性计算新方法的可靠性,并进行了温度和水滴当量直径(MVD)对旋翼三维水滴撞击特性的影响分析。结果表明:遮蔽区扩散模型的加入,使二维情况的计算时间减少了22%,并增加了三维情况的计算稳定性,显著提高了旋翼三维水滴撞击特性的计算效率;沿着旋翼桨叶展向位置增大的方向,旋翼桨叶剖面水滴撞击范围有所增大,最大水滴局部收集系数呈先增加后减少再增加的变化趋势,其变化幅度接近50%;旋翼桨叶表面的水滴撞击区域和水滴局部收集系数随水滴当量直径的增加而增加。     

冰风洞试验中水滴的传热传质计算研究

进行冰风洞试验时,出口过冷水滴的参数往往使用风洞来流空气参数进行计算,忽略了真实情况下水滴与空气的传热传质过程,致使试验数据产生偏差,并影响测试结果的可靠性.通过对冰风洞试验中水滴的运动过程进行研究,考察了水滴与空气主流间的传热与传质现象,建立了水滴运动过程中参数变化的控制方程.基于该方程编制了冰风洞水滴粒径温度变化分析软件,计算分析了过冷水滴在行进过程中相关参数的变化曲线,比较了不同初始条件及各参数对水滴温度、直径和速度的影响.结果表明:不同环境下水滴在运动过程中温度、尺寸和速度变化受来流温度、速度、相对湿度和水滴初始温度的影响,呈现出不同的特点,不能忽略水滴状态参数在冰风洞内的变化.