航空发动机中冰晶结冰的研究进展

一般认为经过风扇压缩后空气温度高于冰点,压气机内不会发生结冰。然而近年来,国外研究者对若干起发动机推力损失故障的研究表明冰晶能够引起压气机内部结冰,并在试验室中再现了温度高于冰点时压气机内结冰这一现象。我国在航空发动机冰晶结冰研究方面刚刚起步,为准确掌握国内外研究现状,从数值和试验两方面对国内外已开展的压气机内结冰研究进行了分析与总结,讨论了当前冰晶结冰的主要研究成果和存在的局限,提出了开展冰晶结冰研究需重点关注的方向,为我国航空发动机冰晶摄入结冰研究和适航审定研究提供一定参考。     

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.     

基于大型结冰风洞的航空发动机结冰与防冰试验技术

航空发动机结冰和防冰过程复杂,数值计算无法对其进行准确模拟,因此试验研究是发动机研究过程中必不可少的手段.我国首座大型结冰风洞已具备开展飞机翼段结冰试验的能力,有必要进一步发展航空发动机结冰与防冰试验技术,以满足下一步我国航空发动机型号设计与适航取证的需求.依托3 mX2 m大型结冰风洞,发展了进气模拟技术和热气供气技...     

一种使用BP神经网络加速的蒙特卡洛拉格朗日水滴求解器（英文）

结冰可能威胁飞行安全。拉格朗日方法被广泛应用于求解结冰过程中的水收集系数,但是其发展受到鲁棒性问题和高计算成本限制。为了弥补拉格朗日方法的缺陷,使用蒙特卡洛积分法和反向传播(Backpropagation, BP)神经网络分别用于解决鲁棒性问题和降低计算成本。基于蒙特卡洛方法的拉格朗日求解器可实现对任意模型或计算条件的无条件稳定。构建了BP神经网络用于预测水滴撞击概率,通过筛除非撞击水滴减少计算量。BP神经网络不针对特定模型提前训练,使用异步并行策略使BP神经网络训练和水滴运动同时求解,建立了广泛适用的异步拉格朗日求解器。使用GLC-305后掠三维翼型和某型发动机短舱模型对求解器进行验证,结果显示BP神经网络可以有效提升计算效率,对比没有神经网络辅助最多节省27%运行时间,同时保有同等计算精确度。本文研究为首次尝试神经网络技术与结冰数值模拟融合,为进一步发展拉格朗日方法提供有力支撑。     

基于欧拉方法的旋翼翼型结冰数值模拟及参数影响研究

从研究二维翼型结冰问题入手,基于水滴流场的概念,采用基于气液两相流的欧拉方法求解水滴流场,得到水滴收集特性,再结合热力学模型数值模拟旋翼翼型结冰过程.通过计算结果和冰风洞试验数据的比较,验证了该方法正确有效.同时研究了气象参数对结冰的影响.基于本文建立的方法,计算分析了飞行速度、平均水滴直径、水滴浓度、温度等不同参数对水滴收集效率、冰型、结冰量、结冰范围的影响,深入地探讨了翼型结冰机理和结冰形成条件,得出气象参数影响特征.     

考虑动力学效应的结冰试验相似准则修正方法

结冰相似准则是将飞行条件转换为试验参数的重要理论方法,然而现有的相似准则多基于小水滴结冰过程而提出,其在应用于大水滴的相似转换时会出现较大偏差。针对这一现状,开展考虑水滴动力学特性的结冰相似准则研究。首先,基于ONERA相似准则,融入关于水滴变形破碎和飞溅动力学特性的相似参数,提出了修正的结冰相似准则;其次,基于这两种相似准则,采用数值模拟的方法计算获得了修正前后的收集系数,并对比验证了修正方法的有效性;最后,分析两种修正方法得到的试验参数随尺寸缩比的变化情况,给出了所修正的相似准则在结冰试验中的应用建议。结果表明,本文修正方法提高了局部收集系数的吻合度,降低了收集系数平均误差和撞击极限误差,且应用该准则得到的缩比试验参数在结冰风洞的设计范围之内。该修正方法可以为过冷大水滴结冰风洞试验相似变换提供指导。     

飞机结冰探测器安装位置研究

基于飞机结冰探测器安装要求,通过三维数值仿真,模拟了机头表面流场和水滴撞击特性.通过标定水滴遮蔽区和浓度增加区引入危险位置点的概念,对结冰探测器的安装位置进行了分析,模拟了安装位置处结冰探测器探头表面和飞机主要迎风部件表面的水滴收集特性和结冰特性,并进行对比分析.分析结果表明探头表面的最大收集系数、结冰强度和结冰程度等...     

热气流环境下非球形冰晶的运动换热特性（英文）

针对冰晶被航空发动机吸入后在热气流环境下的运动换热问题，建立了拉格朗日框架下冰晶运动-传热传质耦合的数值计算方法，对比了不同的冰晶融化模型和不同形状、粒径冰晶的运动换热差异。结果表明，相较于水覆盖模型，使用“裸”冰粒子模型时完全融化需要更长时间，20μm粒子需要0.04 s才能完全融化，但0.023 s之前“裸”冰粒子的融化速率却更快；相同条件下球形冰晶液态水含量较高，20μm球形冰晶在计算出口处液态水含量为49.05%。椭球形和宽六角形冰晶液态水含量很相近，出口处液态水含量为40%左右；粒径越小，越早开始融化，冰晶液态水含量总是更高。20μm的冰晶在出口处液态水含量高达60.4%，而40μm冰晶在出口处液态水含量只有15.5%。     

双旋流燃烧室两相喷雾试验和数值研究

采用粒子场脉冲激光全息技术对航空发动机燃烧室中的雾化场进行了测量,得到了燃烧室中燃油液滴直径的空间分布,从而对燃烧室中的雾化过程进行了研究。自主开发完成了适用于航空发动机燃烧室的三维两相数值计算平台,建立了首次雾化模型和二次雾化模型。基于LISA模型和KH-RT模型,对燃烧室中的首次雾化过程和二次雾化过程进行了数值模拟,得到了燃烧室中液雾的空间分布。通过将计算结果与试验结果进行对比,显示开发完成的雾化模型能很好的模拟高温高压,强旋流条件下航空发动机燃烧室的整个喷雾雾化过程。     

考虑相变时间效应的结冰试验相似参数

结冰风洞试验是进行飞机结冰和防除冰研究的主要手段,结冰试验相似准则是进行结冰风洞试验的理论基础。针对目前的结冰试验相似准则在明冰模拟方面的不足,本文采用液/固相变的基本理论,对飞机结冰过程的液/固相变传热特性进行了分析和研究。在此基础上,提出了一个新的结冰试验相似参数CT,该参数与基于Messinger结冰热力学模型所得到的相似参数的主要区别是考虑到了结冰的干模式和湿模式,体现了相变的时间效应。通过将新的相似参数引入现有结冰试验相似准则中,可有效避免试验压力与速度选取的随意性。以 NA-CA0012翼型和某超临界翼型为对象,对新相似参数的有效性进行了数值仿真评估,结果显示,采用本文提出的相似参数及相应的试验参数确定方法,能够得到与参考条件一致的水滴收集率和结冰,初步说明新相似参数的是有效的,研究结果对于提高明冰及混合冰试验模拟的精度具有较好的参考价值。     

蓄冰盘管冰层厚度测量及管外蓄冰性能实验

提出了一种新型简便的冰层厚度测量方法,该方法用测量冰层内温度分布的方法间接测量冰层动态厚度及冰层的相界面生长规律。对蓄冰盘管外结冰过程的实验研究表明,测量方法可靠,具有较高的测量精度;实验发现,蓄冰盘管外上部冰层生长较快,而下部冰层生长较慢,而在实验参数范围内管内乙二醇水溶液流量对冰层生长速度影响不大。     

平尾防冰表面溢流冰生成规律试验研究

以带电加热防除冰系统的平尾后掠翼型为研究对象,在风速 90 m/s、温度 -4~-9 ℃、液态水含量（Liquid water content, LWC）0.45~1.5 g/m³以及水滴直径（Median volumetric diameter, MVD）20.1~36 μm条件下,在0.6 m结冰风洞中开展溢流冰生成规律研究,包含溢流冰起始位置、覆盖范围和类型。试验结果表明,翼型表面溢流冰形成的起始位置受加热功率及来流温度影响较为明显,加热功率或来流温度低至一定数值时溢流冰类型从溪状冰变为冰脊,随着加热功率或来流温度的增加,溢流冰起始位置向后移动。溢流冰的溢流范围受LWC及加热功率影响较为明显,LWC越大,收集水量越多,溢流的范围随之越广;加热功率的影响类似,增大加热功率融化的溢流水增多,从而溢流范围越广。溢流冰生成的类型对MVD的变化比较敏感,当MVD从20.1 μm增加为3 μm时,溢流冰即从典型的溪状冰变为冰脊。     

旋转脱冰试验与数值模拟研究

航空发动机旋转件的冰脱落会对进气系统造成不能接受的机械损伤,因此需要对旋转脱冰现象进行研究。脱冰研究主要分为两部分：冰风洞实验室的旋转脱冰试验和基于有限元软件的仿真计算。通过试验得到了不同工况下冰脱落时的冰型、结冰质量和密度等相关数据。通过仿真计算得到附着在固体表面冰的应力分布情况。试验结果显示,在较低温度下形成的霜冰相比于较高温度下形成的明冰更难发生冰脱落现象。仿真结果显示,霜冰内聚力呈现小于剪切黏附力的特性,明冰的内聚力呈现大于剪切黏附力的特性。     

二元冰蓄冷测试技术及其评价

对二元冰蓄冷系统的测试技术进行了系统的介绍并作出了相应的评价。着重介绍了二元冰的性质及系统中凝聚现象和含冰率的测试技术,为二元冰蓄冷系统的测试研究指明了方向。     

电加热过程的冰脊形成实验研究

利用结冰风洞设备和电加热装置,采用实验的方法研究了不同来流速度、环境温度和加热功率对冰脊形成的影响.研究表明:随着来流速度、加热功率的增加,冰防护区长度增加,冰脊往下游推后,而随着环境温度的降低,冰防护区长度减小,冰脊往上游靠近.冰脊的生长规律是从冰防护区外下游某位置开始冻结,逐步往冰防护区发展,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.     

测试结冰界面切向冻粘强度的新方法

提出一种测试结冰界面切向冻粘强度的新方法。设计了新型的拼接式结冰装置,进行圆柱形结冰杆表面的结冰,再通过压缩试验完成切向冻粘强度测试。在上述工作基础上进一步地研究了多个试验因素对切向冻粘强度的影响。试验结果表明:随着接触面积或者冻结时间的增加,切向冻粘强度均呈现先增大后稳定的趋势;随着加载速率的增大,切向冻粘强度值呈现先增加后减小的趋势;在-5～-30℃之间,切向冻粘强度与冻结温度近似为线性关系。     

内融冰盘管动态蓄冰特性数值模拟与实验研究

采用焓法建立了管外结冰过程的二维动态数学模型,数值模拟了冰层沿换热管径向及长度方向的动态生长规律,并在此基础上分析了载冷剂进口温度、流量变化和不同结冰时间等对冰层动态生长及蓄冷特性的影响,并进行了实验验证。实验结果表明:在结冰初期的2 h内冰层厚度及动态蓄冷量数值模拟结果与实验数据误差较大,而在蓄冰过程结束时二者吻合较好,误差在10%以内;沿载冷剂流动方向冰层厚度逐渐减小,数值模拟与实验结果基本吻合。数值模拟结果与实验数据基本相符,验证了建立的数学模型的合理性。     

电脉冲除冰系统参数的合理选择

目前,尽管可采用各种防(除)冰方法,但它们在需用能量及除冰性能上尚有不足之处。电脉冲除冰所需能量少、维护方便(无运动部件)、可靠性高、重量小及经济性好等方面大大优于现有的其他防(除)冰系统。本文介绍了电脉冲除冰系统的基本工作原理,分析了能量,电容和电压等电气参数、线圈的几何参数及蒙皮的材料等对除冰性能的影响。根据分析和实验室、冰风洞及飞行实验的资料,提出了有效除冰时各种參数的选择范围,以及提高性能的措施。     

飞机结冰风洞试验模拟研究

论述了飞机结冰风洞试验的必要性;阐述了结冰风洞试验方法;给出了相似准则和模拟参数计算结果及分析;讨论了飞行高度和大尺度水滴模拟问题.     

一种改进的积冰试验相似准则及其评估

从影响飞机积冰的基本物理过程出发,基于对AEDC和ONERA准则的分析,给出了一种改进的积冰试验相似准则.利用数值方法对改进的相似准则进行了有效性评估,数值评估的结果表明,用这种相似准则所确定的参数进行数值模拟,可以在圆柱及其1/2缩比模型上的对应区域得到相似的积冰,初步表明笔者所提出的相似准则是有效的,可以应用于冰风洞试验,作为试验的理论指导和参数选取依据.