迎风面三维积冰过程中水膜流动的计算方法

对影响迎风面三维积冰过程的冰层表面水膜流动进行分析,建立描述其流动的数学模型,引入在流动前锋下游预设薄水膜的方法处理其在表面干区的流动推进过程,提出超过临界厚度的水膜被吹除的方法处理角状冰下游局部水膜被吹离表面的现象.通过对翼型-平板结构中翼型上的冰形对比和水膜流动规律分析,验证了该水膜流动数学模型的合理性和计算方法的可行性.研究表明:与Messinger模型相比,积冰模型中引入水膜流动后,可以较好地模拟三维明冰积冰,同时明冰极限的模拟结果也更接近试验值;冰层表面的水膜厚度约为10-5m,流动速度约为10-2m/s.      

考虑水膜蒸发的三维明冰积冰数值研究

明冰积冰过程中冰层表面会覆盖一层薄水膜,水膜在冰层表面流动和传热,水膜蒸发会引起质量和能量传递,对积冰相变产生影响。为了研究水膜蒸发对积冰的影响,在已有三维积冰模型的基础上,考虑了明冰积冰过程中水膜的蒸发,建立了考虑水膜蒸发的三维积冰数学模型,并开发了相应的积冰计算程序。选取NASA提供的典型算例,模拟了明冰积冰条件下NACA0012翼型的积冰过程,并将计算结果与NASA试验和数值结果进行对比。结果表明水膜的平均蒸发量为1.5g/(m~2·s),蒸发吸收的热量占总传热的35%。与不考虑水膜蒸发的计算结果相比,本文得到的积冰量和冰形都与试验结果具有更好的一致性,说明三维明冰计算中考虑水膜蒸发是有必要和合理的。     

离心力对于旋转叶片表面积冰影响的数值模拟研究

为了加深对旋转叶片表面积冰现象的认识,发展了一种适用于旋转表面积冰预测的数学模型,并采用该模型研究了离心力对于旋转叶片表面积冰的影响。通过对积冰控制体内的由于撞击水滴形成的薄水膜流动的质量、动量和能量守恒进行分析,发展了旋转贴体非正交曲线坐标系下的积冰模型并给出了相应的计算方法。所发展模型的动量方程中考虑了离心力对水膜流动的影响,并且在能量方程中考虑了净流出水带走的能量。采用文献中旋翼表面的积冰试验结果对所发展的模型和计算方法进行了验证,所计算得到的冰厚与试验结果吻合较好,计算得到的冰厚精度相比于LWICE软件有所提高。计算结果还表明,离心力增大会导致水膜速度在叶片展向上的分量变大,致使流出控制体的水质量增加,最终导致冰厚在驻点附近略微变小。     

旋转整流罩积冰生长与脱落过程的实验

采用冰风洞模拟实验的方法对旋转整流罩表面的积冰过程进行了研究.积冰实验装置的主体部分位于冰风洞实验段内,驱动部分在外部,采用皮带传动.通过实验得到了旋转整流罩在典型结冰条件下的积冰生长特性:开始阶段积冰生长比较缓慢,沿旋转整流罩表面分布均匀,主要为透明的明冰;然后在明冰表面出现分布不连续的白色霜冰,其形状类似"羽毛"状,生长速度较快,最终旋转整流罩表面的"羽毛"状霜冰还发生了脱落现象.     

来流速度对防冰表面溢流水流动换热的影响

为研究来流速度对防冰表面溢流水流动形态及换热的影响,基于空气-水两层相互作用的质量、动量和能量守恒,建立防冰表面溢流水水膜流动换热及破裂的数学模型,分析了防冰表面溢流水在不同来流条件下的流动形态和表面换热情况.计算分析表明:来流速度增加时,防冰表面相同位置处的连续水膜厚度减小,水膜破裂位置随之延后;较高来流速度条件下,破裂处水膜厚度稍有增加,使得破裂后形成的溪流厚度和宽度增大;作为主要的表面散热项,连续水膜表面蒸发及对流换热热流均随来流速度的增加而增大.此外,由水膜破裂引起的表面溢流水流态变化对防冰表面蒸发热流有一定影响.     

锥角对旋转整流罩积冰影响的模拟实验

采用缩比模型对4种不同锥角的旋转整流罩进行了冰风洞积冰模拟实验.推导出旋转表面积冰相似参数,并根据重要参数的匹配确定缩比整流罩模型的积冰实验参数.在实验中采用高速摄像系统记录冰生长过程及最终冰形.结果表明:4种锥角的整流罩表面积冰均由初期生成、分布连续的明冰和后期增长迅速的白色霜冰构成;锥角小于等于74°的整流罩表面霜冰为针状或粒状,积冰厚度较小;锥角大于80°的整流罩表面霜冰为羽毛状,积冰厚度较大,并伴随冰脱落现象,锥角较大的整流罩冰脱落位置向下游移动.      

二维机翼防冰表面溢流水膜破裂数值模拟

为了准确地预测机翼防冰系统热载荷,对二维机翼防冰表面溢流水流动状态进行了仿真计算.依据剪切力驱动模型,分别推导了水膜破裂前后的速度分布;引入能量最低原理,推导了溪状流模型,运用数值方法对水膜破裂的临界厚度进行了求解;使用基于Fluent软件的用户自定义函数方法编程并加载计算模块,分别以水膜模型和溪状流模型计算得到了溢流水的流动特性.结果表明:在一定结冰条件下,引入溪状流模型后,溢流水的溢流范围在两个不同算例中分别增大了33%和17%,这会很大程度影响防冰系统热载荷的分布.      

带整体式粒子分离器的涡轴发动机进口支板的三维积冰数值研究

整体式粒子分离器对涡轴发动机的气动乃至积冰都会有影响。为了获得涡轴发动机进口支板的积冰特性,以包含整体式粒子分离器的涡轴发动机进气机匣为模型,选取间断最大结冰条件,采用欧拉-欧拉法模拟了进气机匣内的空气-过冷水滴两相流场,并计算了支板表面的水滴撞击特性,再应用考虑水膜流动和蒸发的三维积冰模型对支板表面的积冰进行了模拟。计算结果表明,机匣进口的水滴有99.4%进入了扫气流道,而且结冰参数在支板前缘上游呈现出明显的周向不均匀性。对于主流道下游的4片支板,仅距离蜗壳起始位置最近的支板前缘局部受到显著的水滴撞击,最大水收集系数达到3.8,当积冰总时间为74s时,该支板表面最大积冰厚度约8mm,其余3片支板表面几乎没有水滴撞击和积冰现象。本文的研究结果可为考虑整体式粒子分离器影响的涡轴发动机进口支板的防冰设计提供依据。     

蛇形进气道影响下发动机进口部件水撞击特性的数值研究

为了了解亚声速蛇形进气道影响下航空发动机进口段迎风表面处的水滴撞击特性,采用欧拉/欧拉法对蛇形进气道和发动机进口段在来流马赫数为0.3及环境温度为266.5K的大气结冰条件下进行了空气/过冷水滴两相流场的计算,再由已获得的水滴流场进行支板表面水撞击特性的计算。整流罩表面水滴的撞击计算时采用插值的方法将原两相流场的计算结果插值到新生成的整流罩的近壁网格处,之后采用新生成的整流罩面网格进行水撞击特性的计算。通过计算获得了发动机进口结冰参数、支板以及整流罩表面水收集系数的分布。计算结果表明整流罩和支板表面水滴撞击的主要区域与进气道的弯曲方向有关且位于其下表面一侧,最大水收集系数达到0.98。与之相对比的整流罩和支板其他区域的水收集系数则显得非常微小,在数值上约等于0。此外,对于与进气道对称面平行的竖直支板,其与机匣相交的区域存在水收集系数为0遮蔽区。     

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。      

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。     

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。     

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.      

模拟飞机迎风面三维积冰的数学模型

针对飞机迎风面的积冰建立了三维积冰模型,给出了模型的求解方法和求解步骤.该模型不但可以模拟明冰积冰、霜冰积冰和不结冰三种情况下的冰层生长,还可以模拟未凝结水膜在冰层表面的流动,而且在求解过程中可以自动判断过冷水滴撞击到迎风面以后的积冰形态.利用该模型数值模拟了翼型与平板相正交而形成的简单三维结构上的积冰过程,并将所得结果中翼型上三维冰形的二维截面与美国航空航天局(NASA)的冰形进行了对比,获得了较好的一致性,证实了所建立的积冰模型是合理的.      

静压气体轴承气膜力及其与转子耦合动力学特性研究

针对静压气体轴承,进行三维实体建模,采用供气孔区域非结构化网格和非供气孔区域结构化网格相结合的网格划分方法;采用基于有限体积法的计算流体动力学(CFD)商业软件对三维稳态可压缩气体Navier-Stokes(N-S)方程进行求解;根据计算结果,通过数据拟合获得了考虑转子偏心和转速的静压气体轴承气膜支承力模型.基于有限元法建立了气体轴承-转子系统动力学模型,采用Newmark逐步积分法求解了系统的临界转速和不平衡响应.在此基础上进行实验测试,验证了数值仿真结果.研究结果表明:低速、小偏心下,气膜主支承力随偏心呈近似线性变化;高速、大偏心下,气膜主支承力急剧增大,气体轴承的动压效应显著增强;气膜x,y向耦合支承力随转速和偏心呈非线性变化;转子系统一、二阶临界转速对当前结构刚度变化比较敏感,而三阶临界转速对此不敏感.因此,气体轴承气膜支承力的非线性特性及其与转子耦合动力学特性较为复杂,在对气体轴承进行结构设计时,应充分考虑其与转子的耦合,合理设计工作转速范围.      

流体惯性对弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性的影响

基于考虑流体惯性的雷诺方程,利用有限差分法计算弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)的内、外油膜分布压力和油膜合力,分析ERSFD-转子系统动力学。通过比较考虑流体惯性和不考虑流体惯性时的油膜压力、油膜合力和转子幅频响应,发现当雷诺数较大时,计算结果存在明显差异。考虑流体惯性的转子系统等效刚度和阻尼均更大,临界转速更大,而共振区振幅则更小。当转子系统的转速较大,或油膜黏度较小从而雷诺数较大时,在油膜力计算中考虑流体惯性的影响是必要的。