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。     

压电双晶片悬臂梁结构用于结冰探测的研究

 采用一种压电双晶片悬臂梁结构作为结冰探测的传感元件,使用有限元方法(FEM)计算其在有水附着与结冰两种状态下的谐振频率变化,同时使用Agilent 35670A动态信号分析仪与传统的传输法进行实验测量,通过误差对比检验计算结果的正确性,并找出谐振频率的变化与压电梁局部质量和刚度等结构特征改变之间的联系,发现随着结冰的发生以及厚度的增加,相应的局部质量和刚度的改变对谐振频率的综合影响多变。针对压电双晶片悬臂梁结构的特殊性,采用一种反馈法接线进行测量,并与传输法测量结果以及FEM计算结果进行比较,证明这种测量方法的准确性。最后根据计算与实验测量结果确定合适的工作模态,总结整个结冰过程对该模态谐振频率的影响。结果表明,压电双晶片悬臂梁结构用于结冰探测是可行的,它能够准确检测出不同结冰状态对其结构特征的影响,并且结构简单、便于测量。     

电阻型容性频率选择表面吸收体吸波性能研究

提出一种由Salisbury屏衍生而成的新型雷达吸波材料--电阻型容性频率选择表面(FSS)吸收体.采用有限元软件对吸波性能进行研究.研究表明,FSS单元方阻R,参数p和a以及介质层厚度h对FSS吸收体吸波性能均有较大影响.通过大量计算发现,FSS单元方阻在100～200Ω/□之间,p取0.05时具有较好的吸波性能.发现重要的"2h规则".指出在介质层厚度较大的情况下很难充分发挥FSS的作用,一般要求介质层厚度不大于5mm.通过实验对数值计算结果进行验证,结果表明两者基本吻合.另外,数值计算以及实验结果均表明,通过合理的参数选取,与Salisbury屏吸收体相比而言,FSS吸收体可在厚度较小的情况下实现低频吸收,并且具有较好的带宽特性.     

基于Messinger扩展模型蒸发对结冰溢流特性的影响研究

传统Messinger扩展模型将蒸发简化为壁面温度的线性函数,以便推导冰层和水膜温度微分方程的原函数。但结冰过程中蒸发与壁面温度并非线性关系,若引入蒸发非线性计算式,冰层和水膜温度微分方程将无法推导出原函数。而且有研究者在应用Messinger扩展模型时忽略了蒸发对结冰的影响,在某些状态下可能造成较大误差。针对以上问题,本文对Messinger扩展模型做出改进。将冰层和水膜温度假设为带未知系数的线性方程,建立未知系数的隐示表达式,采用牛顿迭代对未知系数进行求解,以数值迭代代替方程推导。基于NACA0012翼型,对忽略蒸发以及采用不同蒸发计算式对结冰外形的影响进行了分析。通过计算不同环境温度下的结冰外形,并与FENSAP-ICE软件和试验冰形进行对比,验证了该改进方法的有效性。     

结冰风洞冰与固壁间剪切黏附应力和强度的初步研究

为研究飞机结冰与固壁间的黏附强度,耦合固体力学实验方法和结冰风洞试验方法,在3m×2m结冰风洞试验段内开展了冰与固壁间的剪切黏附强度测量试验。首先,基于结冰风洞试验段,建立了冰与固壁间剪切黏附强度测量试验装置及其试验模型。然后,通过固定外试验模型、拉伸内试验模型的方式,实现了冰从固壁表面的剥离,并针对此冰层剪切剥离过程建立了相应的计算模型。采用平面弹性力学方程描述该计算模型,采用非结构网格技术对计算区域进行划分,利用有限元方法对控制方程组进行离散,根据不同断裂力学判断准则的适应范围,采用了最大剪切强度准则用于判断剪切拉伸作用对冰层剥离的影响,计算结果表明,随着作用于内试验模型的轴向力载荷增加,冰与固壁间的剪切黏附应力也将增加,由于外试验模型的固定约束,在冰与固壁间的黏附界面两端会出现两个轻微的剪切黏附应力峰值,而在黏附界面中间位置,剪切黏附应力变化比较平缓。结冰风洞试验获得的剪切黏附强度在0.4MPa到1.0MPa之间,与参考文献中的试验结果比较吻合,明冰的剪切黏附强度大、霜冰的剪切黏附强度低,说明本文的试验方法和装置都比较合理,试验结果也验证了计算模型和计算结果的合理性。     

机翼三维结冰数值模拟

采用欧拉-拉格朗日法计算空气、水滴两相流动,根据质量守恒和能量守恒计算结冰量和溢流水量,溢流水的流动方向及不同方向的流量分配由当地空气的速度矢量、网格边界的法向量计算得到。采用非稳态方法、非结构网格计算了NACA0012平直翼、截面为GLC-305的后掠翼的结冰,并与文献中的实验结果进行了对比,结果显示最大结冰厚度与实验吻合较好,预测的冰形与实验冰形发展趋势一致。计算结果表明,提出的三维结冰计算方法是有效、可行的,为三维结冰计算提供了一条可选的途径。     

复合型雷达吸波材料结构优化设计的数值计算

基于多层复合型雷达吸波材料的设计要求构造了多目标优化的模型,将基本遗传算法(SGA)改进为自适应-混合遗传算法(MAHGA),通过数值计算为多层雷达吸波材料的结构优化提供了依据,依据计算结果制备了多层复合雷达吸波材料并进行了反射率和电磁参数测试实验,实验结果与计算结果吻合较好,复合材料具有良好的吸波性能,在8~18GHz低于-10dB的带宽可达7.8GHz,最大衰减量为-34.6dB,总厚度为3.5mm。     

水平表面气流剪切作用下的水膜厚度

飞机结冰表面上的液态水受气流吹拂作用会发生向后溢流,从而影响结冰区域范围及防冰系统设计;为了获得水膜流动规律,对水平平板表面上气流剪切驱动的水膜流动进行了实验测量和建模分析。通过水膜流动风洞试验台产生高速气流驱动水膜的流动,使用色散共焦位移计测量同一位置的水膜在不同时刻的厚度变化,结果表明气-液界面由底层薄水膜和多种尺度的波动组成,具有变化速度快随机性强的特点。通过水膜厚度随气流速度及水膜雷诺数的变化规律,发现平均水膜厚度与两者均呈现出单调非线性的依赖关系。基于薄水膜流动理论和平均水膜厚度实验结果,提出了高速气流剪切作用下的气-液波动界面剪切因子计算式,适用于风速17.8~52.2m/s,水膜雷诺数26~128之间的平板水膜流动计算。     

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.      

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。     

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。     

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...     

基于光强反射和压电振动的混合式结冰探测系统

为解决目前飞机结冰探测存在测点单一,测量不准确、探测位置不匹配的问题,基于光强反射方法研制了光纤结冰传感器,基于压电振动方法研制了平膜结冰传感器,将两者进行组合嵌入至NACA0012翼型,研制了一种适合飞机翼面、多点分布测量的混合式结冰探测系统,并在低温冷库、结冰风洞中进行了测试.研究表明:多点分布测量的混合式结冰探测...     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

基于正交试验的民用飞机抗爆结构参数敏感性分析

最小风险炸弹位置（LRBL）结构是放置飞机上可疑爆炸物的装置,探究结构尺寸和炸药位置对其抗爆性能的影响程度可为改进设计提供参考。基于正交试验设计与数值模拟相结合的方法,以LRBL 结构各危险部位的最大应变和变形为评价指标,分别运用极差分析法和方差分析法对LRBL 结构的罐体壁厚、底盖厚度、连接凸台厚度、剪切销直径和炸药位置5 个影响因素开展参数敏感性分析。结果表明：在200 g 炸药当量的工况下,各因素对LRBL 结构的抗爆性能的影响显著程度从大到小为：炸药位置、罐体壁厚、底盖厚度、凸台厚度和剪切销直径;结合评价指标综合分析得到各个因素最优水平下的LRBL 结构设计方案。     

超薄双层复合结构界面特性超声兰姆波评价方法

提出超声兰姆波方法来评价超薄双层复合结构界面联接特性 ,这里“超薄”的概念是指层厚度 h远小于层中的声波波长λ,导致采用脉冲回波方法时 ,在时域上层前后界面的各次回波信号相互混迭。分析了超薄双层复合结构界面处于刚性联接、滑移联接和完全脱层 3种情况下超声兰姆波的色散特性 ,提出了以色散曲线为依据的超声兰姆波界面特性评价方法 ,进一步分析了影响方法估计准确性的各种因素。     

民用飞机主导式结冰探测系统设计

飞机结冰会造成全机气动性能下降、飞行品质降级等一系列问题,对飞行安全造成极大的威胁。现代民用飞机普遍装备结冰探测器以应对飞行中的结冰问题。主导式结冰探测系统是一种新型的自动判断飞机是否进入结冰条件的飞机结冰探测系统,能够有效减少机组操作负担。首先对主导式结冰探测系统进行了详细的介绍,包括主导式结冰探测系统和传统咨询式结冰探测系统的区别、主导式结冰探测系统优势以及主导式结冰探测系统主要设计难点。然后阐述了基于磁致伸缩式结冰探测器的主导式结冰探测系统的设计方法,主要在于识别出结冰探测器无法探测的结冰条件,通过将结冰条件预设在防冰系统控制器中,来确保能够在所有结冰气象条件下及时开启防冰系统。     

高超声速边界层转捩机理及应用的若干进展回顾

高超声速边界层转捩对飞行器的热传递、表面摩阻和流动分离等有重要影响,尤其是再入飞行器和吸气式巡航飞行器。然而,人们对边界层转捩机理中的很多问题认识还不清楚,或存在争议。本文从扰动波演化的角度回顾了高超声速边界层感受性、线性稳定性和非线性作用的国内若干研究进展,并以基于谐波共振的人工转捩技术为例示范了这些机理认识在转捩控制上的应用。扰动的产生和发展是认识边界层转捩机理的核心。通过研究扰动波来认识边界层转捩机理,开展应用创新研究对提升飞行器性能具有重要意义。