民用客机机翼热气防冰系统问题初探

简单介绍了热气防冰系统的特点及工作原理,同时对前缘缝翼笛形管的两种基本布置方式进行了描述,最后对波音737系列、空客320系列以及空客340等飞机的机翼热气防冰系统进行了介绍和对比分析。     

基于POD和代理模型的热气防冰性能预测方法

大型客机机翼、短舱多采用热气防冰作为主要防冰策略。为了缩短热气防冰系统优化设计周期，提出了基于本征正交分解和代理模型的防冰性能快速预测方法。采用本征正交分解对数值仿真积累的温度和溢流水快照进行特征分析，选取包含绝大部分样本特征的基模态线性拟合所有快照；基于支持向量机回归方法建立笛形管结构参数与线性拟合系数间的代理模型，实现对热气防冰蒙皮外表面温度分布和溢流水分布的快速预测。针对三维缝翼笛形管热气防冰系统开展的验证表明：该方法对防冰表面温度分布的预测效果较好，并能够较为准确地预测水滴撞击区域内的溢流水分布；建立的预测方法计算成本较数值计算方法大幅降低，对于热气防冰系统优化设计工作具有重要意义。     

热气防冰系统中热力学参数对其性能的影响

<正>飞机结冰是导致飞行事故的一个重要原因。因此,防冰系统的设计已成为飞机设计中必不可少的内容。在飞机获得安全性能的同时,需要消耗一定的能量用于防冰系统,对商用飞机来讲,目前广泛应用于机翼、发动机唇口部位的是热气防冰系统。本文主要研究的是机翼防冰系统,即从发动机引入高温高压气体,这些热气经由一系列分布在笛形管上的射流孔喷至防冰区域,笛形管安装在机翼前缘的防冰腔内。     

CJ828机翼防除冰系统设计方案研究

对目前客机机翼防冰主要方式进行了研究、对比和分析,针对新一代300座级双通道干线客机CJ828,根据其性能参数及技术标准,进行了机翼防除冰系统的设计,并提出一种新型机翼周期性引气的热气防冰方案.该设计方案在满足机翼防冰技术要求的同时,提高了飞机发动机效率及其经济性,增加了CJ828的市场竞争力.     

Numerical Simulation of a Swept Wing Hot-air Anti-icing System

对后掠翼热气防冰系统的表面温度进行了数值仿真研究.用欧拉方法计算局部水收集系数,外部对流换热系数用附面层积分法计算,蒙皮导热和内部换热用计算流体力学(CFD)方法计算,用基于FLUENT的用户自定义函数(UDF)方法将外部换热、蒙皮导热和内部换热三者耦合求解,实现了热流边界条件的自动加载和温度的自动更新.通过对ARJ21-700机翼防冰系统性能的计算,说明所研究的计算方法能对三维后掠翼热气防冰系统作出总体性能的评估和局部性能的评价,为自然结冰条件下飞机的飞行试验提供依据,从而大大降低飞行试验风险.     

非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟

为了在自然结冰飞行前预估飞机防冰系统的性能,减少飞行风险,开展了非结冰气象条件下飞机机翼热气防冰系统的数值模拟研究。数值模拟采用了计算流体力学方法;外部对流传热系数的计算采用附面层积分方法。机翼热气防冰系统表面温度的计算是将蒙皮外部散热热流、内部热气加热热流以及蒙皮导热三者进行热耦合,并进行了改进,改进的方法不要求防冰腔内、外两套网格在重合面网格处一致,是通过双向线性插值将一方面网格信息插值传递到另一方表面网格上,提高了计算效率。     

飞机热气防冰系统与冰脊预测的数值模拟

基于流固耦合传热的思想建立了一套飞机热气防冰系统的的数值模拟方法,并将其与积冰热力学模型结合起来,实现了热气防冰系统开启时的机翼积冰预测.采用格心格式有限体积法求解N-S方程获得防冰腔与外流场;通过欧拉法在外流场的基础上获得过冷水滴撞击特性;求解三维热传导偏微分方程获得蒙皮的传热特性;采用交接面插值的方法实现防冰腔到外流场的热量传递;建立了考虑三维溢流效应的积冰热力学模型并在此基础上开展了机翼冰脊的数值预测.数值模拟结果表明:热气防冰系统开启时加热机翼表面温度最高可达308K,加热区后的上下机翼表面均有冰脊形成,通过对结果的分析表明该方法是合理可行的.      

基于内外传热耦合的热气防冰系统仿真计算

基于内外传热耦合原理,建立了热气防冰系统的AMESim仿真模型,研究热气防冰系统在不同引气状态下,管路流量、压力及蒙皮温度的变化规律.采用所建立的仿真方法,计算飞机机翼热气防冰系统的内部流动特性和内外耦合传热特性,将计算结果与热气防冰系统流量分配试验结果进行对比.结果表明:管路流量、压力和蒙皮温度的仿真计算结果与试验结果最大误差为9%,验证了该仿真模型的正确性.在此基础上,对飞机短舱热气防冰系统进行了仿真,分析了飞行包线下系统内外的换热、温度变化、加热效率等关键参数的瞬态特性.仿真结果为热气防冰系统的设计、分析与优化提供依据.      

基于流-固耦合传热的热气防冰系统干空气飞行蒙皮温度场计算研究

以机翼热气防冰系统为研究对象,建立了包含热气防冰系统防冰腔内外流场对流换热和固体结构导热的三维稳态流-固耦合传热物理模型,对整个计算区域生成混合网格,边界条件为第三类边界条件,采用计算流体力学方法以 FLUENT 软件为工具,对干空气飞行状态下流-固耦合传热模型进行了求解,获得防冰腔蒙皮内外表面对流换热系数分布和温度场结果,并对计算结果进行了分析。结果表明：防冰腔铝合金蒙皮沿展向和厚度方向导热显著,温度分布较均匀,防冰引气温度为200℃时,防冰腔蒙皮内外表面上最高温度为101℃,最低温度为21℃,3 mm厚的蒙皮同一点处内外表面最大温差仅为4℃,防冰腔排气口处气体的平均温度为63℃。热气防冰系统蒙皮温度场计算方法和计算结果,能够为热气防冰系统干空气飞行试验设计和测试中温度传感器的选型与布置提供依据。     

热气防冰参数对机翼表面溢流结冰的影响研究

机翼热气防冰数值模拟中,根据N-S方程求解流场,用Euler法获得水滴撞击特性,通过蒙皮导热将求解得到的内外流场进行耦合传热并达到稳定后,开始模拟结冰,来进行机翼热气防冰及形成溢流结冰的数值计算。计算结果表明,热空气防冰数值模拟是可行和合理的。采用数值模拟方法对机翼热空气防冰过程进行了模拟,得到了由于引气温度不足或机翼热空气保护面积不同而导致的不同溢冰高度和位置。分析了供气温度、防冰区域对翼面溢流冰形成的影响。结果表明:供气温度直接正向影响热交换后蒙皮表面温度。供气温度越低,溢流冰形高度越高,对气动特性影响也越大;热防护区域范围对溢流结冰结果也会产生影响,热防护区域越大,冻结位置距离驻点越远,而且冰形高度越低,对气动特性影响也越弱。     

飞机热气防冰系统研究

介绍了飞机热气防冰系统的应用背景及基本结构，回顾了其发展历程及国内外研究现状.从防冰表面水滴撞击特性计算、蒙皮外部结冰/溢流水模型建立、热气防冰腔内部结构参数研究以及多物理场防冰表面内外耦合仿真这4个关键问题角度，分析了热气防冰系统的主要研究内容.分析表明:准确预测三维溢流冰形成过程、优化热气防冰腔内部结构参数、确定防冰安全边界和防冰裕度以及冰风洞防冰系统实验的参数缩比等关键研究点是热气防冰系统的发展趋势.      

环境参数对飞机防冰热载荷的影响规律

为在飞机热气防冰系统设计过程中准确计算防护表面的防冰热载荷,以某飞机翼段模型为例,对防冰热载荷计算开展了研究,给出了计算流程,研究了来流速度、高度、温度、液态水含量和水滴直径等环境参数变化对翼段表面热载荷分布规律的影响。研究结果表明:①热载荷主要分布在机翼前缘,且越靠近翼尖部分热载荷数值越大,热载荷曲线呈现中间低两边高的分布;②表面热载荷分布范围和量级与来流速度和水滴直径呈正相关关系;飞行高度的变化对表面热载荷分布的影响较小;来流温度降低或液态水含量增加,热载荷数值增大但分布范围不变;水滴直径增加10 μm,上翼面热载荷分布范围增加约50%。      

复合材料热气防冰系统试验研究

为了进行复合材料热气防冰性能的研究,结合冲击射流和微通道强化换热,针对复合材料导向叶片提出了一种热气防冰系统。对给出的复合材料热气防冰系统进行了简易的冰风洞试验,在同一气流速度、防冰热气流量、平均水滴有效直径条件下,对不同防冰热气温度、外流冷气温度和液态水含量状态下的蒙皮外表面温度进行了测量。结果表明：给出的复合材料热气防冰系统性能正常,能够满足防冰要求;比较了液态水含量、防冰热气温度和冷气温度对蒙皮外表面温度的影响,说明在本实验范围内液态水含量是影响蒙皮外表面温度的最大因素。     

赛斯纳525飞机机翼防冰系统典型故障分析

机翼是飞机产生升力的主要部件,其防冰系统是整个飞机除/防冰系统中最为关键的部分。本文简述了赛斯纳525飞机机翼防冰系统的组成和工作原理,对其典型故障进行了分析研究,给出了该机型机翼防冰系统常见的故障和机务维护建议。     

三维内外热耦合计算热气防冰系统表面温度

提出了一种三维内外强固传热耦合计算热气防冰系统表面温度的方法并进行算例计算.外部表面传热系数计算采用附面层积分方法,内部热气流动与换热采用CFD(计算流体动力学)方法,利用FLU-ENT的用户自定义函数UDFs(user-defined functions)实现蒙皮外表面热载荷计算及热流边界条件的自动加载,使迭代自动推进.对表面温度及外部热载荷进行亚松弛来稳定迭代计算,用强固传热耦合迭代来加快计算速度.所研究的三维热气防冰系统表面温度计算新方法可应用于防冰系统的热性能验证及系统优化.      

表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响

采用数值模拟对比研究了光滑表面和具有表面凸起结构热气防冰腔内湍流流动的换热特性。机翼防冰腔内笛形管具有三排射流孔,射流孔角度有0°±45°组合以及0°±30°组合。为了强化射流冲击光滑表面的流动换热,在防冰腔内表面正对射流孔的射流冲击区,设计了表面凸起结构,用来强化射流对壁面的冲击换热效果并起到引流作用。通过改变射流孔射流角度研究了射流角度对传热特性的影响。计算结果表明:与光滑防冰腔内表面射流冲击换热相比,表面凸起结构可以将均匀发散的壁面射流集中为高速壁面射流,提高壁面射流区的对流换热系数,从而增强射流冲击换热效果,机翼前缘的强化换热效果尤为明显。     

发动机唇口防冰腔的热变形仿真分析

双蒙皮热气防冰腔在加热防冰过程中,内、外蒙皮的温度相差较大,热膨胀变形将导致两层蒙皮之间的间隙发生变化,进而影响防冰效果,甚至堵塞防冰通道。以发动机唇口热气防冰系统为研究对象,为解决双蒙皮防冰腔的热变形问题,选择了在双蒙皮之间增加垫板进行补偿的方式,采用有限元方法对防冰腔的热变形情况进行仿真分析,得到了不同垫板数量条件下的防冰腔最大热变形区域、防冰腔的热变形情况及变化规律,为双蒙皮防冰腔的设计提供依据。     

CJ818客机机翼防冰范围的确定及防冰热载荷计算

通过数值计算的方法,对CJ818客机机翼周围的流场和水滴运动轨迹进行了计算;介绍了水滴撞击特性的计算方法,编写程序计算了机翼的水滴撞击特性,并据此确定出机翼的防冰范围;分析了防冰表面热流的组成,并给出了每种热流的计算方法,在此基础上编写程序计算得到了CJ818客机机翼的防冰热载荷。     

航空发动机热气防冰结构的冲击换热特性研究

为了验证冲击换热特性在热气防冰结构中的适用性,利用数值模拟方法对典型热气防冰系统整流支板中的冲击换热结构进行了研究。根据相应的换热试验简化了计算模型,利用该模型计算了冲击距离、冲击孔直径、冲击孔间距和Re对热气防冰系统冲击结构换热能力的影响,验证了整流支板中冲击换热结构的换热规律与单独冲击换热结构的一致性,并获得了热气防冰系统中其他结构对冲击换热结构换热的影响规律。计算结果表明：减小冲击距、增加孔径、减小孔间距及增大Re都能够增强换热能力。     

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.