民用航空发动机进气道防冰功率的计算方法研究

根据民用航空发动机短舱防冰系统设计的要求,对进气道的防冰功率进行了的计算研究.基本思路是利用结冰数值计算软件计算进气道水滴撞击范围,在此基础上,根据进气道防冰表面不同温度的要求,确定了进气道防冰系统引气功率的需求.提出的发动机进气道防冰功率计算方法,可供民用航空发动机短舱进气道防冰系统设计参考和借鉴.     

某型飞机发动机短舱热气防冰系统性能数值模拟

使用三维内外强固传热耦合方法计算校核发动机短舱热气防冰系统的性能,并分析发动机进气流量对蒙皮表面温度的影响.内、外部表面传热系数计算均采用纯三维的CFD方法,在内、外部网格数据交互时使用了距离加权反比插值法.通过计算获得发动机短舱的局部水收集系数、蒙皮表面温度的分布情况、各处溢流水量,并由此判定此防冰系统性能是否达到要求.分析表明此发动机短舱热气防冰系统符合防冰性能要求;当发动机进气流量增大时,蒙皮表面温度下降,且溢流水量增加.     

发动机短舱防冰性能计算方法研究综述

发动机短舱中可能出现的结冰现象对飞行安全有着严重的影响。总结了已有关于短舱防冰性能计算的文献资料,在明确短舱防冰性能计算的理论依据的基础上,分析了其与机翼防冰性能计算的异同及计算中可能遇到的问题及解决方法,并对国内发动机短舱防冰性能计算提出了合理化建议。     

民用飞机平面风挡防冰热载荷分析研究

首先对飞机结冰的原因、危害以及风挡防冰的方法做了简单的概述,针对广泛应用的民用飞机平面风挡防冰热量耗散进行分析,阐述了每部分热量的用途以及计算方法,针对热载荷计算输入,确定了热载荷计算状态点的选取原则,并考虑了风挡玻璃加热时向内散热的热量。提出了一种风挡防冰热载荷的计算方法,计算结果与实际应用中的几类机型的风挡防冰加温...     

民用飞机短舱防冰系统冻雾天试验方法研究

基于民航25部适航规章1093(b)(2)条款民用飞机短舱防冰系统在冻雾天环境中的性能要求,通过构建开放式结冰条件模拟装置,对民用飞机短舱防冰系统在特定的地面冻雾条件下的性能进行了验证,并在真实的航空发动机运转条件下进行适航验证试验,详细给出了民用飞机短舱防冰系统地面冻雾天试验的方法。结果表明:试验方案科学合理,试验方法符合短舱防冰系统对民航25部适航规章的要求,并在某型飞机上得到成功应用。该试验方法可为其他型号飞机地面冻雾天试验提供参考。     

短舱防冰系统三维内外流耦合计算方法

为提高防冰性能评估效率，更好地支撑发动机短舱防冰系统设计工作，基于松散耦合方法开展了适用于短舱进气道笛形管防冰系统的三维内外流耦合仿真计算方法研究。将三维全尺寸短舱进气道计算模型分割为内、外流计算域，并以防冰腔外表面温度和换热系数作为计算域之间的交互数据，以实现内外流耦合迭代。根据干、湿空气条件下防冰表面流动传热特性，考虑湿空气条件下由过冷水滴撞击产生的质量与能量源项，同时引入短舱进气道周向非对称特性导致的三维溢流效应影响，总结了干、湿空气条件下短舱进气道防冰系统内外流松散耦合迭代策略。计算结果表明：在干空气条件下防冰内外流松散耦合迭代仅需3个轮次即可收敛；在湿空气条件下，受防冰表面溢流影响，内外流耦合迭代4个轮次后趋于收敛。     

风挡防冰严酷设计状态的选取

根据飞行条件和结冰气象条件与风挡防冰需用热载荷的关系,提出评价防冰严酷设计状态的指数——严酷度评估指数,与传统确定严酷状态的方法相比,减少了系统的计算工作量,提高系统的计算效率,具有一定的应用价值。     

地面结冰气象条件模拟控制技术研究

地面结冰气象条件模拟系统是为模拟大气环境下结冰气象条件设计的,也是为发动机短舱防冰系统除冰试验设计的结冰控制系统。控制系统利用外部低温气象条件在试验区域内模拟真实大气环境形成结冰气象条件,并根据试验区域内结冰情况调节结冰颗粒大小及含水量,通过试验规律寻找到一套完整的结冰控制技术,除满足短舱防冰系统除冰试验要求外还能够满足相关多种特种试验,是利用大气环境建立的简易结冰风洞试验平台。     

民用飞机水废水系统防冰功能设计

民用飞机水废水系统的设备及管路布置位置从机身前部的前EE舱贯穿至机身后部的水废水舱,涉及舱段的温度分布变化较大,若不采取防冰措施,系统结冰会导致其功能丧失.采用模块化分析方法,对典型民用飞机水废水系统途经的不同区域的环境温度进行分析,确定水废水系统防冰区域,并给出确定加热器布置位置的原则;同时,针对不同需要防冰部件的特点,给出对应的防冰方式选用原则及典型加热器的防冰功率计算方法.本文采用的水废水系统防冰功能设计方法,可在民用飞机水废水系统研制之初、缺少全机温度场分布的情况下,为系统的防冰功能设计提供指导.     

防冰部件表面流动换热与温度计算分析

在考虑防冰部件湿表面水膜流动与传热相互影响的基础上,提出了一种基于湿表面传热与流动耦合作用的防冰部件表面温度预测方法.应用此方法,计算了一种全蒸发防冰翼型工作时的表面流动换热和温度分布.分析了湿表面上各项热流的作用效果.结果表明:部件表面换热系数对壁面温度的计算最为敏感,影响很大:水膜流动能吸收并传递加热热量;全蒸发防...     

机翼积冰数值模拟

采用计算流体力学（CFD）方法对三段翼和MS-317后掠翼进行了积冰数值模拟研究,基于欧拉两相流理论,应用分区算法,对空气流场和水滴流场进行了数值求解,得到水滴收集率.求解3-D积冰模型得到积冰量.将MS-317的冰形计算结果与实验数据以及软件LEWICE3D的计算结果进行了对比.结果显示:三维积冰模型具有较好的精度,虽然预测的冰形与实验数据有一些差异,最大厚度方面,误差在13.1%以内,但是积冰的类型与体积和实验数据基本一致.      

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。     

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。      

冰雪条件下机场跑道摩擦系数建模与仿真研究

机场跑道摩擦系数是评价机场跑道道面质量的重要参数。在考虑冬季跑道道面压实雪厚度和摩擦热形成的润滑水膜作用下建立了冰雪道面半融状态摩擦系数计算模型。使用Matlab数值仿真软件对所建模型进行了仿真。数值仿真结果表明,摩擦系数模型建模合理,摩擦系数计算数据与实测数据比较吻合。对摩擦系数的测试实践有一定的理论指导意义。     

一种用于飞机结冰的海绵冰模型及应用

基于两相流理论,采用欧拉法对飞机结冰进行数值模拟,在空气流场速度分布的基础上,求解水滴流场,得到水滴收集率和撞击极限.结果表明:欧拉法比拉格朗日法在计算水滴收集效率和撞击极限方面有优势,尤其是在较大的水滴平均等效直径情况下.对翼型的冰形和圆柱表面的温度预测数据和实验数据进行对比,圆柱冰形厚度误差在15.0%之内,计算结果与实验结果吻合较好,同时表明结冰模型是有效可行的.      

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...     

冰晶在涡扇发动机内相变换热特性

通过对低压压气机通道内气流参数的分析，结合冰晶的运动轨迹方程及相变传热传质方程的离散处理，计算分析了冰晶在涡扇发动机内涵通道内运动过程的粒子半径、冰晶温度、冰晶速度、冰水混合粒子中液态水质量分数、以及冰晶表面与低压压气机通道内气流的传热系数和传质系数沿压气机轴向距离的分布，得到了冰晶在低压压气机内涵通道内运动的轨迹及与叶片碰撞的特性。结果显示:20μm冰晶黏附位置处液态水质量分数为10.22%，而100μm冰晶在压气机出口处液态水质量分数仅为2.1%且不会在压气机内结冰。      

风洞侧壁干扰对机翼表面霜冰的影响

采用数值模拟的方法研究了不同阻塞度下侧壁干扰对NACA0012翼型表面霜冰生长的影响。通过对流场和水滴撞击特性的研究发现:侧壁干扰会压缩来流空气,致使更多水滴跟随气流向机翼前缘汇集,增大了翼面水滴收集系数,且翼面水滴总收集量与阻塞度成正比、与液滴雷诺数成反比;同时会改变水滴的撞击方向,使水滴撞击极限和最大水收集系数的位置发生偏移。采用多步法对结冰特性的研究发现:在基准计算工况下,当阻塞度为20%时,侧壁干扰效应带来结冰量的相对附加增量约为16%;在同一阻塞度下,各时间步长内的结冰相对附加增量基本相等。提出了一种表征侧壁干扰对水滴收集影响强弱的因子,该影响因子与水滴收集相对附加增量具有较高的线性关系。      

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。     

Love波飞机结冰传感器研究

Love波结冰传感器有望应用于飞机结冰预测与监测,其通过Love波在导波层中的传播变化,来敏感导波层表面冰的厚度以及状态变化。在Zimmermann理论基础上,根据Love波结冰传感器实际结构,针对导波层为冰层及压电材料为ST90°X石英的实际实验情况进行了仿真计算,计算得到了冰层厚度与相速之间的特性关系,以及冰层厚度对灵敏度的影响,并与N.Bari等的灵敏度理论的计算结果进行了比较,结果表明Love波结冰传感器的灵敏度与相速的理论计算是正确的。通过初步的实验对Love波结冰传感器进行原理性的验证研究,实验结果表明Love波结冰传感器可以明显区分空气、水和冰的状态,实验数据符合理论计算的结果。