航空发动机结冰试验中水滴特性参数分析

通过建立水滴在低温低马赫数气流中的传热传质以及运动数学模型,和以Fluent软件解析雾化喷嘴周围气流的总压分布和速度分布的基础上,分析了水滴直径、水滴速度、水滴表面温度和液态水含量等特性参数,在不同的来流速度、来流温度和水滴初始温度条件下的变化。结果表明,在来流速度、水滴初始速度以及直径大小相同条件下,水滴与气流的温差,是影响发动机进口截面液态水含量的主要因素。对结冰试验过程中模拟结冰云雾气象条件的参数选取进行了建议。     

结冰实验段空气-水混合流动过程的数值模拟

针对结冰实验段内低温空气与高温雾化水滴的混合流动过程进行了数值模拟,采用拉格朗日方法建立了空气-游离水滴/冰粒多相混合流动与传热传质的一维分析模型,考虑了水滴粒径分布、相变及空气-水滴/冰粒传热传质等因素,求解了流道内气流温度/湿度/速度,水滴温度/速度/半径等参数沿流动方向的变化,分析了水滴粒径分布、气流温度、液态水含量、相对湿度等参数对流动与传热过程的影响,与已有数据的对比验证了模型及结论的正确性.      

考虑传质传热效应的翼型积冰计算

本文采用计算流体力学的方法对NACA0012翼型前缘涉及传质传热效应的glaze ice积冰进行了预测.在流场计算中,用有限体积法对二维定常不可压粘流的时均N-S方程进行离散求解;采用四阶龙戈-库塔(RK)法求解水滴运动方程;通过求解在翼型表面控制体积内积冰过程中所遵循的质量和能量守恒方程,并且假定冰沿着与当地翼型表面法向一致的方向增长,来预测积冰的形状.文中同时对结有glaze ice冰翼型的气动特性进行了计算与分析.     

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.      

航空发动机支板热滑油防冰性能试验

在冰风洞内开展了结冰条件下涡轴发动机进气支板的热滑油防冰系统的防冰性能试验研究。试验设计加工了滑油电加热系统,采用可编程逻辑控制器（PLC）监控滑油的温度和流量。在冰风洞中采用全尺寸模型开展滑油防冰性能试验,所开展的涡轴发动机支板热滑油防冰试验参数包括：来流温度为-10,-5℃,来流速度为40 m/s,液态水含量为0.5,1.0 g/m³,过冷水滴平均体积直径为20 μm。试验开展了不同结冰气候条件下、不同滑油通道位置滑油防冰进气支板防冰效果的研究,记录了支板表面温度的变化和结冰情况。试验同时得到了支板防冰能力不足时支板表面的结冰冰型和结冰环境下发动机支板热滑油防冰的特点。     

过冷水滴撞击结冰表面的数值模拟

为了计算过冷水滴撞击结冰表面,本文应用雷诺平均Navier-Stokes方程和k-ε两方程紊流模型计算结冰表面外的空气流场。用欧拉法建立了空气中过冷水滴的运动方程,并采用有限控制容积法对方程进行了数值计算。为了提高计算精度,方程中的对流—扩散项采用MUSCL格式进行了离散。计算结果表明过冷水滴的大小和机翼攻角的变化对结冰区的大小和水收集系数的影响很大。      

结冰风洞中液滴过冷特性数值研究

为明晰结冰风洞中液滴过冷特性,发展了基于欧拉法的气液两相耦合流动计算方法,模拟了结冰风洞中气液两相耦合流动过程。在此基础上,首先开展了参数影响研究,然后考察了典型结冰风洞构型中三维收缩效应对液滴过冷特性的影响,最后评估了该风洞试验段内液滴过冷状态。结果表明:结冰风洞中液滴过冷特性主要受液滴粒径和气流速度影响,增大液滴粒径和气流速度会显著增加两相温度平衡距离;结冰风洞中的液滴传热过程可以分为准一维传热和三维收缩传热两个阶段,三维收缩传热阶段对液滴过冷状态的影响显著强于准一维传热阶段,三维收缩效应对液滴过冷状态起决定性作用;在典型试验工况下,粒径小于40μm的小粒径液滴在试验段内均达到过冷状态(液滴气流温度差小于2℃),但粒径大于100μm的大粒径液滴在高风速条件下(试验段气流速度为157m/s)未达到过冷状态(液滴气流温度差大于5℃)。     

复合材料部件电加热防冰性能试验

在基于涡轮组和制冷机组联合制冷及气/液两流体喷嘴产生雾化水滴的小型直流式冰风洞中,进行了复合材料部件电加热防冰系统的性能试验.通过改变来流风速、模拟的结冰气象条件、电加热功率及加热方式,得到了不同防冰方式下试验件内的温度分布.结果表明:在本文研究范围内,相同防冰方式下电防冰加热功率随来流风速单调增加;空气温度和液态水含量对电加热功率的影响相互耦合;电加热功率与防护区内的温度及温度梯度成正比;相同防冰负荷下,采用分(多)区加热可以使防护区内的温度及温度梯度分布更合理.     

液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响

为了研究液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响,基于机翼防冰表面水膜及空气相互作用机理,并考虑水膜表面传热传质过程,建立了水膜与空气的流动换热模型,得到溢流水膜及空气边界层流动换热的积分控制方程,通过对比文献试验结果验证了模型的准确性.在此基础上,比较了不同液态水含量条件下防冰表面水膜厚度及主要热流量的分布情况.结果表明:液态水含量对水膜沿表面厚度分布有明显影响,而对换热过程中各项热流的影响主要集中在水滴撞击区域,加热热流与散热热流随液态水含量的增加呈现相反的变化趋势.     

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。     

结冰风洞中液滴相变效应数值模拟

为明晰结冰风洞中液滴相变效应,发展了基于Euler法的气液两相传质传热耦合流动计算方法,探索了3 m×2 m结冰风洞主试验段构型相变效应对液滴传热过程的影响,开展了参数影响研究,评估了试验段内液滴过冷状态。结果表明：构型内液滴经历了先蒸发后凝结两个阶段,蒸发效应促进了准一维传热阶段液滴温度的下降趋势,使液滴温度趋于湿球温度,而凝结效应则抑制了三维收缩阶段液滴温度的下降趋势,进而增大了试验段液气温差,影响液滴过冷状态;增大初始相对湿度和试验段气流速度,会导致蒸发效应减弱而凝结效应增强,进而增强了相对湿度和气流速度对液滴过冷状态的影响程度,与此相反,初始液滴尺寸的增加,则会导致蒸发效应和凝结效应均减弱,进而减弱了液滴尺寸对液滴过冷状态的影响程度;在典型工况下,小尺寸液滴（液滴直径范围为40~100 μm）在高风速时（试验段气流速度大于164 m/s）将偏离过冷状态（液气温差超过3℃）。     

复合材料热气防冰系统试验研究

为了进行复合材料热气防冰性能的研究,结合冲击射流和微通道强化换热,针对复合材料导向叶片提出了一种热气防冰系统。对给出的复合材料热气防冰系统进行了简易的冰风洞试验,在同一气流速度、防冰热气流量、平均水滴有效直径条件下,对不同防冰热气温度、外流冷气温度和液态水含量状态下的蒙皮外表面温度进行了测量。结果表明：给出的复合材料热气防冰系统性能正常,能够满足防冰要求;比较了液态水含量、防冰热气温度和冷气温度对蒙皮外表面温度的影响,说明在本实验范围内液态水含量是影响蒙皮外表面温度的最大因素。     

涡扇发动机短舱结冰试验相似方法

通过分析短舱表面结冰缩比试验相似要求,在保证绕流流场、水滴撞击特性和结冰冰型相似的基础上,分别采用基于气流雷诺数,气流韦伯数和水滴韦伯数3种速度选取方法建立了试验相似准则。利用该准则获得了明冰和霜冰条件下涡扇发动机短舱1/2缩比模型的结冰试验参数,开展了短舱进气道表面结冰冰型预测,对参考模型和缩比模型表面过冷水滴撞击特性、结冰特性、溢流水分布特性进行了分析。结果表明:采用基于气流韦伯数和水滴韦伯数速度选取方法的相似准则,在明冰和霜冰条件下均能保证缩比模型与参考模型表面水滴撞击特性相似,且相似性不受结冰温度影响;溢流水变化趋势与参考模型相似,流动极限相近;缩比模型表面冰型均与参考模型相似,该方法能够为短舱结冰试验参数选取提供依据。      

结冰风洞试验水滴直径选取方法

结冰风洞是开展飞机结冰研究的主要设备,确定合理的试验水滴大小,是选取结冰风洞试验条件的重要内容。为了研究结冰风洞试验水滴直径的选取原则,针对结冰风洞试验水滴的大小主要取决于试验速度的大小,在推导结冰风洞试验水滴直径选取公式的基础上,用数值方法预测并对比了不同试验速度对水滴大小选取效果及试验结果的影响。采用欧拉法数值计算了不同试验速度及相应试验水滴条件下,试验模型表面的水滴收集率,并与全尺寸物体表面的水滴收集率进行了对比。研究发现:对于小水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值不能取得太低,参考速度升高到一定程度之后,试验速度与参考速度的比值又不能取得太高;对于大水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值也不能取得太低,当参考速度升高到一定程度之后,试验速度和相应试验水滴直径的改变对模型表面的水滴收集率影响较小,试验速度与参考速度的比值在0.3～1.0之间变动,均可以在模型和全尺寸物体上得到一致的水滴收集率。     

湿压缩对压气机转子失稳边界工况性能的影响

针对某型跨声速压气机转子的失速边界工况,采用数值模拟方法系统研究了不同加湿条件对其性能的影响。获得了水滴粒径、速度、温度和喷水量与转子进气流量、压比、效率、比压缩功等性能参数之间的关系曲线。结果表明:在失速边界上对跨声速压气机进气加湿,可以增加空气流量,提高总压比和效率,降低比压缩功。通过对流场的分析,发现进气加湿后,向低能区注入了高动量的水滴颗粒,削弱叶顶阻塞团,将主流与泄漏流交界面和激波位置向下游推进,减小激波强度,降低叶顶载荷,增大主流区载荷,改善了叶顶流场。提出了以水滴的面积流量定量评价不同进气加湿条件对叶顶流场的作用效果。      

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小。采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性。同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量。采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足。     

航空发动机进口支板结冰和防冰试验

为了掌握航空发动机进口支板结冰规律和热气防冰规律,利用冰风洞对进口支板进行了热气防冰试验、融冰试验和结冰试验.试验研究结果表明:进口支板所需热气流量随来流风速增加而增大,随来流总温增加而降低;结冰主要出现在在进口支板前缘区域并且滞止点附近的结冰最厚;进口支板表面初始温度较高,下降速度较慢,容易出现透明冰;来流温度低,进口支板表面温度下降较快,容易出现霜冰.试验结果为进口支板防冰设计计算提供了依据并为航空发动机防冰系统设计提供了一定的参考和借鉴.      

Effects of flow parameters on thermal performance of an inner-liner anti-icing system with jets impingement heat transfer

The multiple jets impingement heat transfer is widely applied in the wing anti-icing system. It is challenging to apply the similarity criterion to carry out the anti-icing experiments due to the complex flow and heat transfer behavior. In the present study, the full-scale slat model is used to carry out anti-icing experimental researches in a 2 m × 3 m icing wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center. The effects of icing parameters Liquid Water Content (LWC) and Median Volume Diameter (MVD) and hot air parameters (mass flow rate and temperature) on the thermal performance of an inner-liner anti-icing system with jets impingement heat transfer are studied. The effects of the experimental parameters are analyzed in detail by combining impingement and evaporation heat transfer mechanisms. The impingement hot air mass flow rate dramatically affects the heat transfer performance of the impingement stagnation region within the range of the experimental parameters. The temperature of impingement hot air and that of wing skin are approximately linear correlated. The experimental results show the effects of LWC and MVD on water film formation and runback ice accretion. The formation of water film is analyzed by an analytical method based on the wing skin temperature difference of dry and wet air conditions.