飞机积冰与飞行安全

在飞机机身形成的结冰现象称为飞机积冰。飞机科冰常发生在机尾和机翼的前缘,发动机及其进气口,螺旋桨,天线,雷达罩,空速管和风挡上。飞机积冰后会破坏飞机飞行中的空气动力,使开力减少,阻力增大,因而将危及飞行安全,严重时可使飞机坠毁。因此,飞机积冰是危害飞行安全的重要因素。一、积冰的种类大气中的水汽由于温度的降低凝结成水酒或冰晶,便形成了云。飞机在不同的云中飞行,积冰的形式是不同的。根据结冰的形式及冰的外形可将积冰大体分为三种。1．霜冰型它主要是由于水汽升华而形成冰的结晶,大多数情况可以看出结晶形状、…     

翼面结冰过程中的冰晶运动相变与黏附特性

冰晶的运动、相变、黏附现象广泛存在于航空发动机内部结冰过程中，开展相应的计算方法研究，系统分析冰晶运动相变与黏附特性是研究发动机内部结冰、保证飞行安全的迫切需求。针对冰晶运动相变及黏附特性计算，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，分析了基于Monte Carlo方法的冰晶撞击与黏附收集系数计算方法，基于NNWICE平台开发了相应的计算程序。以NACA0012翼型为对象，计算研究了扁椭球状、六角平板状和长椭球状3种非球状冰晶颗粒与球状冰晶的运动、传热传质过程，系统分析了来流温度等参数对冰晶黏附特性的影响，得到了冰晶形状对冰晶运动轨迹和融化过程的影响规律及来流总温与液态水含量/总水含量（LWC/TWC）对冰晶黏附特性的影响规律。相关工作为进一步分析混合相结冰数值模拟计算奠定了工作基础。     

带整体式粒子分离器的涡轴发动机进口支板的三维积冰数值研究

整体式粒子分离器对涡轴发动机的气动乃至积冰都会有影响。为了获得涡轴发动机进口支板的积冰特性,以包含整体式粒子分离器的涡轴发动机进气机匣为模型,选取间断最大结冰条件,采用欧拉-欧拉法模拟了进气机匣内的空气-过冷水滴两相流场,并计算了支板表面的水滴撞击特性,再应用考虑水膜流动和蒸发的三维积冰模型对支板表面的积冰进行了模拟。计算结果表明,机匣进口的水滴有99.4%进入了扫气流道,而且结冰参数在支板前缘上游呈现出明显的周向不均匀性。对于主流道下游的4片支板,仅距离蜗壳起始位置最近的支板前缘局部受到显著的水滴撞击,最大水收集系数达到3.8,当积冰总时间为74s时,该支板表面最大积冰厚度约8mm,其余3片支板表面几乎没有水滴撞击和积冰现象。本文的研究结果可为考虑整体式粒子分离器影响的涡轴发动机进口支板的防冰设计提供依据。     

冰晶在涡扇发动机内相变换热特性

通过对低压压气机通道内气流参数的分析,结合冰晶的运动轨迹方程及相变传热传质方程的离散处理,计算分析了冰晶在涡扇发动机内涵通道内运动过程的粒子半径、冰晶温度、冰晶速度、冰水混合粒子中液态水质量分数、以及冰晶表面与低压压气机通道内气流的传热系数和传质系数沿压气机轴向距离的分布,得到了冰晶在低压压气机内涵通道内运动的轨迹及与叶片碰撞的特性。结果显示:20μm冰晶黏附位置处液态水质量分数为10.22%,而100μm冰晶在压气机出口处液态水质量分数仅为2.1%且不会在压气机内结冰。      

航空发动机冰晶结冰适航审定要点及符合性方法研究

为深入了解航空发动机冰晶结冰现象,开展冰晶结冰适航审定要点及符合性方法研究,回顾总结了冰晶结冰事件及相关研究内容,阐述了冰晶存在环境及对航空发动机的危害性。结合适航规章要求、冰晶结冰事件及已发布的适航指令,给出了冰晶结冰适航审定的关注要点。依据当前冰晶结冰计算模拟及地面试验研究现状,提出了一种表明航空发动机冰晶结冰符合性的方法。梳理了冰晶结冰符合性研究所面临的主要问题,并对后续研究方向进行了展望。     

考虑水膜蒸发的三维明冰积冰数值研究

明冰积冰过程中冰层表面会覆盖一层薄水膜,水膜在冰层表面流动和传热,水膜蒸发会引起质量和能量传递,对积冰相变产生影响。为了研究水膜蒸发对积冰的影响,在已有三维积冰模型的基础上,考虑了明冰积冰过程中水膜的蒸发,建立了考虑水膜蒸发的三维积冰数学模型,并开发了相应的积冰计算程序。选取NASA提供的典型算例,模拟了明冰积冰条件下NACA0012翼型的积冰过程,并将计算结果与NASA试验和数值结果进行对比。结果表明水膜的平均蒸发量为1.5g/(m~2·s),蒸发吸收的热量占总传热的35%。与不考虑水膜蒸发的计算结果相比,本文得到的积冰量和冰形都与试验结果具有更好的一致性,说明三维明冰计算中考虑水膜蒸发是有必要和合理的。     

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。     

基于成核理论的水温对结冰黏附强度影响研究

飞机结冰会影响飞行安全,甚至导致严重的飞行事故。研究积冰与基底的黏附强度,可以为飞机防除冰系统的设计提供具体的指标要求。设计剪切黏附力测量实验平台,利用该实验平台测量基板在不同冻结用水初始温度下的结冰黏附力;采集水/冰在冻结过程中的温度变化,并通过成核理论分析实验现象,着重研究冻结用水的初始温度对黏附强度的影响。结果表明：冻结水温初始温度的增加会促进冰晶成核,进而提高黏附强度。     

航空发动机内部冰晶结冰研究综述

为深入理解航空发动机内部冰晶结冰现象,把握冰晶结冰过程的特征规律,建立科学有效的冰晶结冰防护手段,对近年来冰晶结冰文献资料进行了调研和总结。回顾了冰晶结冰现象的发现与证实的过程,重点阐述冰晶结冰与过冷水结冰的区别、冰晶结冰模拟试验及计算方法,并对冰晶结冰问题有待进一步研究的方向做了展望。     

航空发动机冰晶结冰研究进展

飞机在高空区域巡航时可能遭遇冰晶气象，导致发动机吸入冰晶颗粒发生结冰故障，欧美等国已将冰晶结冰纳入适航 取证要求，中国也考虑在后续发动机适航取证中增加冰晶结冰考核项目。为了准确掌握国内外冰晶结冰研究现状，通过调研文 献，对比了冰晶结冰与过冷水滴结冰在结冰位置、结冰条件和结冰机理方面的区别，阐述了试验研究和数值仿真方面的重要进展， 其中，试验研究分别介绍了冰晶在静态部件和动态部件内的撞击与结冰过程，数值仿真按照空气流场计算、冰晶运动轨迹和撞击 特性计算及结冰计算的顺序，总结了欧拉法与拉格朗日法的区别、冰晶运动相变与黏附过程及结冰热物理模型，并介绍了冰晶结 冰软件在数值模拟中的广泛应用，提出了目前在冰晶碰撞、结冰热力学模型、结冰探测及风洞试验等方面需要进一步研究的内容， 以期为中国冰晶结冰研究提供参考。     

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。     

A spongy icing model for aircraft icing

Researches have indicated that impinging droplets can be entrapped as liquid in the ice matrix and the temperature of accreting ice surface is below the freezing point. When liquid entrapment by ice matrix happens, this kind of ice is called spongy ice. A new spongy icing model for the ice accretion problem on airfoil or aircraft has been developed to account for entrapped liquid within accreted ice and to improve the determination of the surface temperature when enter- ing clouds with supercooled droplets. Different with conventional icing model, this model identifies icing conditions in four regimes： rime, spongy without water film, spongy with water film and glaze. By using the Eulerian method based on two-phase flow theory, the impinging droplet flow was investigated numerically. The accuracy of the Eulerian method for computing the water collection efficiency was assessed, and icing shapes and surface temperature distributions predicted with this spongy icing model agree with experimental results well.     

运输机翼型结冰的计算和实验

采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段,对某运输机机翼剖面缩比翼型的结冰特性进行了研究.结冰实验在气动中心0.3m×0.2m结冰风洞中进行,实验模型为弦长0.18m的层流翼型.翼型的绕流流场通过求解低速黏流的时均Navier-Stokes(N-S)方程得到,采用拉格朗日法计算水滴撞击特性,在此基础上,求解结冰热力学模型...     

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模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。      

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。      

离心力对于旋转叶片表面积冰影响的数值模拟研究

为了加深对旋转叶片表面积冰现象的认识,发展了一种适用于旋转表面积冰预测的数学模型,并采用该模型研究了离心力对于旋转叶片表面积冰的影响。通过对积冰控制体内的由于撞击水滴形成的薄水膜流动的质量、动量和能量守恒进行分析,发展了旋转贴体非正交曲线坐标系下的积冰模型并给出了相应的计算方法。所发展模型的动量方程中考虑了离心力对水膜流动的影响,并且在能量方程中考虑了净流出水带走的能量。采用文献中旋翼表面的积冰试验结果对所发展的模型和计算方法进行了验证,所计算得到的冰厚与试验结果吻合较好,计算得到的冰厚精度相比于LWICE软件有所提高。计算结果还表明,离心力增大会导致水膜速度在叶片展向上的分量变大,致使流出控制体的水质量增加,最终导致冰厚在驻点附近略微变小。     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

飞机机翼结冰过程的数值模拟

提出了一种适用于各种结冰气象条件下飞机机翼结冰过程的数值模拟方法。结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,对不同气象条件下飞机机翼的结冰过程进行了数值模拟,得到了4°攻角NACA-0012翼型表面霜状冰、混合冰及瘤状冰3种冰形。所得冰形与文献中的试验数据和计算结果吻合良好,表明本文方法有效。另外还计算了不同的冰形对机翼升、阻力的影响,结果表明瘤状冰对机翼气动特性的影响最大。