航空发动机旋转帽罩结冰表面换热系数研究

旋转帽罩表面的对流换热系数是结冰、防冰研究的重要参数,旋转帽罩结冰模拟中对流换热量和蒸发量都需要已知对流换热系数。为了获取旋转帽罩表面的对流换热系数,采用数值模拟对旋转帽罩结冰表面的对流换热系数进行了研究。首先验证了网格与计算方法的合理性和可靠性,在此基础上,对影响表面换热的因素进行了分析,计算了不同转速、来流速度、来流温度对锥角40°,锥高176mm的旋转帽罩表面换热系数的影响。结果表明:锥尖区域,来流速度的影响与转速影响相比占主导;除锥尖外的其他区域,转速对换热系数的影响占据了主导地位;来流温度对整个表面的换热系数均有影响。采用不同工况下的数值模拟结果,在锥尖区域建立了来流雷诺数与努赛尔数之间的关联式;在除锥尖外的其他区域建立了旋转雷诺数与努赛尔数之间的关联式。     

发动机进气帽罩防冰热载荷的数值模拟研究

对某发动机进气帽罩防冰热载荷的计算方法进行研究。利用FLUENT软件对帽罩周围的流场进行模拟,同时采用FLUENT中的离散相模型计算帽罩周围的水滴运动轨迹,得到帽罩表面的水滴撞击效率;利用数值计算结果及流动换热经验关系式分析帽罩表面的各项热流,获得该发动机帽罩的防冰热载荷。计算中还比较了不同湍流模型对防冰热载荷的影响。     

旋转帽罩表面积冰甩脱位置的数值模拟

为了更好地理解旋转帽罩表面积冰的甩脱机理和过程,采用水杯法在万能试验机上分别测得积冰/铝板界面黏附强度值和积冰内部拉伸强度值。参考试验测得的这2个数据,结合内聚力模型（CZM）和扩展有限元法（X-FEM）,在有限元软件ANSYS中分别模拟得到积冰与旋转帽罩之间的界面分离区域和冰形内部裂纹路径及其扩展过程,对旋转帽罩表面积冰甩脱的位置和体积作出预测。预测结果与帽罩表面积冰甩脱试验结果作比较,证明了CZM和X-FEM耦合的数值模拟方法可行。为实际工程应用中的热气或者电防冰系统的布置提供参考。     

旋转部件复杂表面水滴撞击计算

为模拟旋转体结冰问题的过冷水滴运动及撞击过程,基于欧拉方法及单旋转坐标系模型,建立了三维旋转水滴运动模型,并提出了相应的数值求解方法。采用单旋转坐标系对空气及水滴两相流动过程进行处理,通过引入惯性力,将惯性系下的周期转动边界转换为定常流动边界;利用欧拉方法,使用单向耦合形式描述空气—水滴流场;在单旋转坐标系下,向控制方程内引入科里奥利加速度及牵连加速度,进行非惯性系下欧拉方程的修正,从而描述水滴运动过程;采用有限容积求解器对空气及水滴运动的控制方程组进行求解,通过引入源项定义单旋转坐标系下的惯性力,得到空气流场及水滴场的速度、体积分数分布,进而得到表面水滴撞击特性。采用上述方法对旋转帽罩与叶片模型进行算例分析,结果表明所建立的旋转水滴计算方法有效,对比静止状态表面的结果,旋转对帽罩的水滴撞击特性影响甚小,而对桨叶存在显著影响;由于帽罩具有中心对称的特性,因而旋转带来的切向速度变化对其水滴撞击特性影响不明显;桨叶表面水滴收集系数随旋转角速度增大而增大,同时收集系数在表面的分布会向迎风方向偏移,较大的角速度对应了更为显著的收集系数增幅与偏移现象。     

旋转帽罩结冰相似准则的研究

为了研究航空发动机旋转帽罩结冰相似理论,在静止部件结冰相似准则的基础上,忽略次要因素的影响,建立了一种适用于旋转帽罩的结冰试验相似准则。利用建立的旋转结冰相似准则,通过数值模拟方法,对旋转帽罩缩比前后的水滴收集特性和结冰冰形进行了误差分析,并对此准则的可靠性进行评估。计算结果表明:用建立的相似准则所确定的参数对于全尺寸旋转帽罩转速分别为1kr/min和5kr/min时进行数值模拟。在全尺寸旋转帽罩及其1/2缩比模型上的对应区域得到的水滴收集特性和结冰冰形,误差约为2.7%和5.3%,表明选取缩比参数的方法是可靠的,并且提出的相似准则是有效的,对结冰风洞试验的理论研究和参数选取有一定的参考价值。     

航空发动机进气支板电热防冰试验

为了研究电加热防冰的效果,开展了小型航空发动机进气支板的电加热防冰试验。结合该型号发动机进气支板的结构特点,设计了3种电热防冰加热布置方式,分别在支板沿轴向的不同位置采用1~3个电加热棒作为防冰热源。通过模拟不同的发动机进气结冰环境参数和电加热功率,在冰风洞中对3种电加热方式进行了防冰试验研究。通过布置在支板外表面的温度测点记录了防冰过程中支板表面的瞬态温度变化,分析了支板防冰过程中表面温度的变化特点。防冰试验研究了热源总功率、热源布置方式、液态水含量以及来流温度对支板防冰性能的影响。试验结果表明,合理的电加热方式可以取得较好的防冰效果,同时避免支板后部的溢流水结冰。     

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。     

二维机翼混合相结冰数值模拟

近年来冰晶引发的飞机结冰问题逐渐引起人们的重视。针对冰晶和过冷水滴同时存在的混合相结冰问题,通过数值模拟的方法实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热的计算中采用了转捩剪切应力输运（SST）湍流模型,基于欧拉法计算冰晶和水滴收集系数。在Messinger结冰热力学模型基础上进行扩展,分析了二维结冰部件表面在混合相气象条件下的传热传质过程,建立了适用于混合相的结冰热力学模型,同时考虑冰晶的黏附效应,添加黏附效率经验公式。利用FLUENT的用户自定义函数（UDF）编程求解混合相热力学模型,计算了霜冰和明冰条件下NACA0012翼型表面结冰情况,与国外风洞试验结果进行比较,验证了计算模型和方法的有效性。结果表明,冰晶黏附效应对混合相结冰量及冰形有很大影响,明冰条件结冰形状偏向楔形。     

基于旋转多圆柱的冰风洞水滴参数分析方法

阐述了基于旋转多圆柱测量仪的冰风洞水滴参数分析方法.对二维圆柱的水滴撞击特性进行了计算分析;对二维旋转圆柱的霜状冰结冰过程进行了数值模拟;根据水滴参数对旋转圆柱结冰量的影响, 结合数学逼近的方法, 编制了由旋转多圆柱测量结果分析计算冰风洞水滴参数的软件, 最后用国外试验数据对软件分析结果进行了验证, 结果表明:计算方法正确, 可以实现冰风洞水滴参数快速测量.      

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.     

疏水/超疏水表面防/除冰原理及其研究进展

液体防冰、电热防冰、气热防冰、机械除冰等传统的防/除冰技术具有显著的防/除冰效果,但存在消耗能源大、防冰时间有限以及除冰不彻底等问题,而基于疏水/超疏水表面的防/除冰技术则具有独特的优势.本文首先阐述了利用疏水表面和超疏水表面防/除冰的原理及其影响因素;然后,总结了常用的疏水表面和超疏水表面在防/除冰中存在的问题,并指...     

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.      

航空发动机帽罩热气膜防冰的加热特性

针对复合材料帽罩采用的一种热气膜防冰系统,采用计算流体力学方法研究了其内部冲击换热和外部气膜加热效果。发展了二维轴对称计算方法并与全三维计算结果进行了对比,搭建了热气吹风实验台,利用红外测温仪和热电偶测量帽罩温度,验证了数值计算方法。全面研究了不同射流雷诺数、相对冲击距和气膜缝结构参数对热气加热特性的影响,结果表明:增大射流雷诺数有利于提高内部冲击换热效果和外部气膜加热效果;最佳相对冲击距随射流雷诺数的增大而增大,射流雷诺数为10000~40000范围内最佳相对冲击距在5~8内取得;气膜射流能大幅提高缝后外壁面温度,加热效率与气膜缝宽和位置有关,前缘开设的气膜缝还会提升前缘冲击换热效果。      

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...     

发动机唇口电热防冰系统性能仿真

采用三维耦合传热方法对发动机唇口电热防冰系统进行了多状态下的性能仿真,获得了唇口表面平衡温度及动态温升响应时间,以此评估防冰系统性能,并通过与冰风洞试验结果对比,对仿真过程进行了修正。研究表明:唇口表面加热区平衡温度均高于273.15 K,温升响应时间小于60 s,满足防冰需要,较为严酷的防冰状态点主要为飞行速度较大、环境温度较低的状态点;修正唇口材料导热系数后,仿真与试验结果吻合良好。研究结果能有效指导工程研制,对提高防除冰仿真分析结果的准确性提供了很好的借鉴。     

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...     

电热除冰传热特性的结冰风洞实验研究

利用结冰风洞设备和电加热除冰装置,采用实验的方法研究了不同加热模式、冷却时间、加热功率和冰脱落对传热特性的影响。研究表明：设置合理的冷却时间和加热功率,采用高功率的周期性加热模式比采用低功率的连续性加热模式更优越,不仅除冰时间更少,而且能量消耗也更少,从而为电热除冰系统加热模式的选取和传热特性的优化提供了实验依据。     

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.