机翼热气防冰系统设计

利用热流体系统仿真分析平台Flowmaster和计算流体力学软件Fluent进行联合仿真,对机翼热气防冰系统进行了设计和性能分析.设计参数包括防冰系统笛形管热气喷口孔径、孔数及孔间距等参数.基于Flowmaster对所设计的供气管路进行供气流量分配计算.基于Fluent模拟防冰腔内流动与换热,计算了防冰腔的热效率.根据防冰热载荷及热效率结果预测每段缝翼防冰所需热气流量,引入参数供气余度来分析防冰系统热性能.所提出的热气防冰系统设计方法可为热气防冰系统的工程设计与优化提供重要的帮助.     

飞机发动机进气道防冰系统的设计计算

针对某型具有分流隔板的发动机进气道进行热气防冰腔和管路系统的设计,在进气道的水滴撞击特性计算的基础上,对防冰系统进行热力计算,包括防冰表面的温度分布和系统压降及系统管路的流量分配,由此验证防冰系统正常工作时能否满足对表面温度的要求.此外,还分析了供气温度、供气压力、供气流量以及限流环孔径对防冰表面温度分布的影响.分析发现表面温度随供气温度、供气流量的增加而升高,限流环孔径的变化对前缘表面温度几乎没有影响,分流隔板的表面温度随孔径的增大而升高.      

飞机发动机进气道前缘热气防冰器性能分析

飞机发动机防冰对飞行安全具有十分重要的意义,对于热气防冰系统,前缘防冰器的结构型式对防冰的效果影响很大.本文针对常见的周向及双蒙皮波纹板型弦向飞机发动机进气道热气防冰器进行了热分析,在此基础上对其传热性能及防冰表面温度场进行了比较,结果表明双蒙皮弦向防冰器的防冰效率较高;在通常情况下,周向防冰器也可达到防冰的目的,并且结构简单,因而更为实用.      

防冰表面的对流换热计算分析

利用动量和热边界层积分分析的方法对采用电热防冰的二维机翼对流换热系数进行了数值计算,比较了等温突捩以及变温光滑两种不同的边界层模型.层流向湍流转捩的起始点位置和过渡区域的长度由经验公式判断,并通过内外热流耦合迭代求解得到了防冰表面的平衡温度,与文献试验值进行了比较.所得结果表明:加入过渡区模型可较好地预测对流换热系数及防冰表面温度.同时,结果还表明环境压力变化对换热系数的的影响较大.      

发动机进气道水滴撞击特性分析

针对某发动机进气道的防冰系统设计,对进气道的水滴撞击特性进行了研究.在对进气道流场进行计算的基础上,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数;此外,还研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响;研究发现水滴撞击极限、总收集系数和局部水收集系数随飞行速度的减小、飞行高度的增加或者水滴半径的增加而增大.这些为进气道的防冰系统设计奠定了基础.     

热气防冰系统中短小销钉强化传热数值模拟

热气防冰是目前飞机常用的防冰技术之一,为了提高热气防冰系统的防冰效率,提出使用短小销钉绕流强化传热的方式.利用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的方法研究了不同结构阵列销钉绕流对双蒙皮防冰通道的强化传热效果和流动阻力的影响,主要包括:销钉高径比、销钉阵列型式以及槽道高度.研究结果表明:加入销钉特别是叉排销钉能够强化传热,但也会引起流动阻力的增大;槽道高度小于1 mm时,传热效果的提高不明显,无需销钉来提高传热.研究结果为热气防冰系统双蒙皮通道的设计提供了一定的理论指导.     

多段翼积冰的数值模拟及防冰预测

为研究飞行器翼面积冰预测问题,通过对积冰形成机理的分析,提出了基于经典Messinger模型的积冰表面传质传热的改进模型;通过引入对多段翼空气流场的插值计算,建立了多段翼翼面积冰预测模型;考虑防冰系统向翼面控制体带入的等效热功率,提出了防冰条件下的积冰预测方法.通过对算例的分析对比,数值模拟计算结果与实验数据基本吻合,表明本文提出的结冰计算模型合理,能够用来进行积冰预测分析,为进一步研究翼面结冰后的飞行动力学问题及防除冰系统的设计奠定了基础.      

直升机旋翼防/除冰电加热控制律仿真

电热防除/冰系统的控制涉及到电加热与外流场的传热耦合,计算较为复杂,可利用的数据资料较为稀少。为探索电热防/除冰系统工作时与外流场的耦合传热规律,建立了二维电热除冰的数学模型,该模型在Messinger模型和改进的焓法模型基础上耦合了外表面与环境的复杂换热以及融冰和重新结冰过程的相变换热;采用控制容积法对控制微分方程进行离散后,使用TDMA（Tri-Diagonal Matrix Algorithm）和ADI（Alternating Direction Implicit）方法对离散得到的线性方程组进行求解,进而得到了除冰表面温度分布,同时揭示了电热防/除冰系统的耦合传热规律;分析了不同结冰条件下,加热时间控制律和加热热流密度对除冰表面温度的影响。计算发现合理设计加热热流密度大小及分布和加热时间控制律,可实现电热除冰系统能源的高效利用,进而确保飞行安全。     

积冰对飞机飞行性能的影响

针对飞机飞行过程中出现的积冰所带来的不利影响,提出一种求解积冰条件下飞行性能的思路.基于二维有限基本解法对翼型前缘的积冰形状进行预测;在计算飞行性能时,利用数值模拟的方法求解RNG(Renormalization Group) k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程,对飞机全机流场进行解算,从而得出积冰状态下飞机的升力、阻力特性.最终结果表明:积冰严重影响着飞机的飞行性能,这与由相关实验得出的结论一致.该方法可应用于工程领域,对积冰条件下飞机的飞行性能进行快捷、有效地求解,为研究飞机防冰技术、提高飞行性能提供参考.      

基于全局稳定性分析的大迎角飞控系统设计

针对飞机大迎角非线性动力学系统,提出用全局稳定性分析方法指导大迎角控制律设计.首先利用非线性分叉分析方法研究了大迎角非线性动力学系统的结构稳定性问题.在此基础上,通过合理选择平衡点线化方程,采用特征结构配置方法设计调参的大迎角控制律,以使飞机的稳定飞行状态可延伸至大迎角范围.此外,还通过时域数字仿真估算了闭环系统大迎角稳定平衡点的吸引域．与其他方法相比可得到闭环控制系统的定范围渐近稳定性,而不仅是Lyapunov局部渐近稳定性.      

热气防冰系统内表面弦向传热性能衰减规律

利用反向热流法实验研究了弦向3排射流喷口,且中央喷口正对前缘驻点结构下射流冲击热气防冰系统前缘内表面的局部传热特性。重点研究了喷孔射流出口雷诺数Re_j、笛形管相对于前缘的距离与孔径比Z_n/d、射流冲击驻点区弦向弧长与孔径比r/d对冲击前缘靶面的局部传热性能分布的影响。实验中Re_j范围为2.5×104~1×105,Z_n/d范围为1.736~27.5,r/d范围为13.21~61.5。结果表明,局部传热性能分布曲线为从驻点开始向两侧衰减的钟形曲线,包括稳定段、下降段和结束段3部分,其中稳定段只受参数r/d的影响,而参数Re_j、Z_n/d和r/d均能够明显影响下降段的下降速率,参数r/d则几乎不会改变下降段的总下降幅度。总结了此类喷口结构下射流冲击前缘换热性能衰减分布曲线的通用实验关联式,以指导防冰系统的设计和热性能的评估。      

飞行器表面三维流场与固壁温度场的耦合分析

分析了飞行器表面温度场形成的物理机制,建立了飞行器蒙皮温度场耦合计算的理论模型,较为完整的考虑了各种热源对飞行器蒙皮温度的作用.采用有限体积法和重整化群RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型对流场求解N-S方程,蒙皮固壁中采用热传导模型,采用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算蒙皮固体壁面对外界大气的辐射.通过数值计算研究了飞行高度、马赫数和内热源对蒙皮温度分布的影响,以及高度及马赫数对飞行器表面气动加热的作用.结果表明,该方法适合考虑飞行器外部流场、固壁等多种热源作用的温度场数值模拟.     

双尾撑布局飞机飞行载荷分析

对双尾撑布局飞机进行飞行载荷和气动导数分析,重点分析尾撑纵向弯曲刚度和飞行动压变化,对纵向气动力导数、各操纵面效率以及载荷分布的影响.尾撑纵向弯曲刚度变化会引起纵向静稳定性、平尾升降舵的操纵效率及反效速度、平尾的载荷分布的显著改变.尾段刚度尤其是尾撑的纵向弯曲刚度往往会构成双尾撑布局飞机气动弹性设计的薄弱环节,在设计时应该严格控制尾撑的刚度指标.