风力机叶片翼型的结冰数值模拟研究

研究了风力机叶片翼型的结冰数值模拟方法,及翼型结冰后对其气动性能的影响。求解雷诺平均N-S方程,引入k-ωSST湍流模型封闭方程,获得风力机叶片流场;采用拉格朗日法计算风力机叶片翼型周围的水滴运动轨迹,同时考虑了多尺寸水滴分布的影响,获得翼型表面的局部水收集系数分布;根据质量守恒和能量守恒原理,计算翼型表面的各项热流,获得翼型表面的结冰速率和结冰冰形;考虑到翼型结冰是时间的动态函数,采用多时间步长法完成结冰数值模拟。计算了风力机叶片翼型在不同环境条件和气象条件下的结冰冰形,同时模拟了风力机翼型结冰后周围流场的变化,并与干净翼型的气动特性进行了对比。结果表明,环境温度较高时形成的明冰对翼型气动性能的影响较大,结冰导致翼型升力下降,升阻比减小,最大减小幅度达到61%,同时结冰后的翼型会提前进入失速区,导致桨叶气动性能恶化。     

水滴多尺寸分布对水滴撞击特性和结冰增长的影响

水滴直径是影响水滴撞击特性的重要参数,而撞击特性在很大程度上影响结冰冰形,因此,在结冰数值模拟中,如何合理选取水滴分布模型,对于保证计算精度有重要意义.本文基于求解雷诺时均N-S方程获得的流场结果,采用拉格朗日法计算水滴撞击特性,并采用Messinger模型进行结冰增长模拟,研究了水滴直径、水滴多尺寸分布对水滴撞击特性和结冰冰形的影响.结果表明,水滴的多尺寸分布对于结冰数值模拟结果具有重要影响,采用Langmuir D分布能够满足数值模拟精度要求.     

二维翼型结冰数值计算

翼型结冰计算是随着结冰时间步长变化的准定常过程,因此在每个时间步长后都要更新各个模块的计算工作,如此反复直到达总结冰计算时间.在各模块计算中,分别采用了泊松方程法生成网格、求解雷诺时均方程计算流场、拉格朗日追踪法求解水滴轨迹、基于Messinger模型计算冰形、采用变距滤点法重构边界.引入动态链接库技术将各模块集成为结冰计算平台,并将三种冰形(楔形冰、槽状冰及混合冰)计算结果与国外软件及试验数据进行了对比.      

基于成核理论的水温对结冰黏附强度影响研究

飞机结冰会影响飞行安全,甚至导致严重的飞行事故。研究积冰与基底的黏附强度,可以为飞机防除冰系统的设计提供具体的指标要求。设计剪切黏附力测量实验平台,利用该实验平台测量基板在不同冻结用水初始温度下的结冰黏附力;采集水/冰在冻结过程中的温度变化,并通过成核理论分析实验现象,着重研究冻结用水的初始温度对黏附强度的影响。结果表明：冻结水温初始温度的增加会促进冰晶成核,进而提高黏附强度。     

平板压电除冰系统中压电元件排布规律研究

针对压电振动除冰方法在工程上的可用性,以平面铝板为研究对象,采用有限元模型和结构动力学分析的方法,对平板压电除冰系统中压电元件的排布规律进行了研究。以平板长度方向上的截面为研究对象,用有限元分析方法研究了二维压电耦合模型的模态振型,选取了长度方向上三阶模态振型为最佳除冰模态振型,并以此振型为后续三维模型的基础振型。针对压电元件数量、压电元件相对贴片数量和压电元件贴片集中度这三个不同的排布参数,利用三维压电耦合有限元模型,以冰层与平板交界面处的弹性应变作为激励效果的直接体现参数,仿真分析了压电元件在平板宽度方向上的排布规律。仿真结果表明：压电元件在宽度方向上排布在中间位置和边缘位置,对结构均具有较好的激励效果,压电元件的布局要避开宽度方向上弹性应变较小的位置,因此对于分布在平板宽度方向边缘的压电元件,仍然可以在目标结冰区激励出较强的振动效果;在相同的接触面积下,减小压电元件的相对贴片数量,提高压电元件的贴片集中度,均可以提高压电元件对平板的激励效果,因此在实际应用中,在尺寸和粘接结构情况允许的情况下,尽可能选择尺寸较大的压电元件;并且当曲面上压电元件的贴片范围被限制的情况下,适当提升某一方向上压电元件贴片集中度,可以提高对平板结构的激励效果。灵活结合压电元件排布规律,可以设计出可行的压电元件排布方式,为压电除冰系统的工程研究提供借鉴和参考。     

风力机防冰热载荷计算

采用一种新的基于压力和剪切力的溢流水流量计算方法进行部件表面防冰热载荷数值模拟。求解雷诺平均N-S方程,嵌入k-ωSST湍流模型获得空气流场;欧拉法求解水滴质量和动量守恒方程,获得部件周围水滴速度分布和表面水滴撞击特性;基于传统的Messinger控制容积思想,分析控制体的各项热流,建立质量守恒和能量守恒方程,引入溢流水质量流量计算方程,封闭控制方程,求解方程组获得表面所需的防冰热载荷。采用本文提出的新的流量计算方法获得了NACA0012翼型表面的结冰冰形,并与试验数据进行对比,说明了流量计算方法的正确性。计算分析了不同条件下表面的防冰热载荷分布,结果表明,工作风速和液态水含量的变化既影响了防冰热载荷大小,也影响了溢流范围,而工作温度仅影响防冰热载荷,水滴平均容积直径仅影响溢流范围。     

翼型曲面的压电振动除冰方法研究

以缩比后的翼型前缘曲面为研究对象,对压电振动除冰的方法进行了理论和实验研究。针对翼型曲面的特殊性,以有限元模型导出的翼型截面离散点为基础,设计了针对翼型曲面和不同压电元件尺寸下的压电元件可贴区域的求解算法,并通过五点共圆法和四点共圆法的理论思想得出翼型曲面各点切法向矢量的求解算法。针对翼型曲面研究了压电元件的布局规律。结果表明,翼型曲面结构下,压电元件的激励效果随着间距的增大而减弱,压电元件布置在振型波峰位置附近有最佳的激励效果。在粘贴接触面积一定的前提下,激励效果随着相对贴片数量的增加而减弱,而压电元件的贴片集中度越高,激励效果越好。实验得到了较好的除冰效果,验证了布局方式的可行性,同时除冰功率最大为69.77W·m-2,低于电热除冰系统所需功耗。     

风驱动下平板水膜表面波动特性实验研究

飞机表面在过冷水滴持续撞击下存在未冻结的液态水,液态水在气流驱动下向后发生回流.流动过程中水膜表面波动改变了液体的质量分布,进而影响结冰过程的传热特性.本文针对风速在16.5～45.5 m/s和水膜雷诺数在24.17～96.69范围内,采用了数字图像投影(Digital image projection,DIP)技术进...     

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.      

探头式结冰探测器安装位置分析

通过求解雷诺时均Navier-Stokes(N-S)方程获得空气流场,采用欧拉法求解水滴运动场获得水滴运动轨迹.通过计算来流液态水含量等值线距离部件表面的垂直距离,获得部件不同位置上的广义水滴遮蔽高度.研究了不同飞行条件和气象条件下的广义水滴遮蔽高度大小.根据探头式结冰探测器安装位置要求确定探头式结冰探测器的合理安装区域.通过分析不同的状态参数对广义水滴遮蔽高度的影响,为结冰探测器安装位置计算状态参数的选取提供了数据支持.