Numerical Simulation of a Swept Wing Hot-air Anti-icing System

对后掠翼热气防冰系统的表面温度进行了数值仿真研究.用欧拉方法计算局部水收集系数,外部对流换热系数用附面层积分法计算,蒙皮导热和内部换热用计算流体力学(CFD)方法计算,用基于FLUENT的用户自定义函数(UDF)方法将外部换热、蒙皮导热和内部换热三者耦合求解,实现了热流边界条件的自动加载和温度的自动更新.通过对ARJ21-700机翼防冰系统性能的计算,说明所研究的计算方法能对三维后掠翼热气防冰系统作出总体性能的评估和局部性能的评价,为自然结冰条件下飞机的飞行试验提供依据,从而大大降低飞行试验风险.     

民用飞机风挡表面对流换热系数的校核

适航条款要求在结冰条件下,应确保风挡表面不能结冰,防止影响飞行员视界。因此应确定结冰条件下具有足够的电加热功率使风挡表面温度高于冰点(零度),而影响加热功率的关键因素是外表面的对流换热系数。为了获得准确的对流换热系数,在低速风洞中测量了不同工况下风挡表面对流换热系数,并利用CFD方法建立了一个仿真风洞模型,计算试验工况下的风挡表面对流换热系数,通过测量值来校核CFD的计算值,获得一个修正方法,最终使用这个修正方法计算获得其他工况下的对流换热系数。     

某型飞机短舱辐射换热计算

针对某飞机地面慢车工况,进行了短舱内复合换热数值计算研究,分别运用球谐函数法、离散坐标法和蒙特卡洛法计算辐射换热.结果显示:不同计算方法所得结果总体上趋于一致,热辐射与自然对流耦合作用明显.与单纯自然对流的计算结果相比,舱内温度显著升高,各区域温度值上升7%~30%.考虑空气介质对不同波段热辐射的选择性吸收后,短舱内各计算点温度进一步上升.综合分析表明:地面条件下飞机短舱换热分析过程中热辐射的影响不可忽略.      

翼型表面粗糙度对结冰的影响分析

飞机的结冰表面出现微小的凹凸不平,即形成所谓的粗糙度,对飞机气动性能产生一定的影响。在考虑表面粗糙度时,针对对流换热系数的计算建立了热力学模型,同时对只有单个粗糙微元的表面进行了流场计算和表面对流换热效果分析;然后利用边界层积分方法,对某一翼型光滑表面和不同程度的粗糙表面分别进行了流场计算、对流换热系数计算以及结冰冰形的模拟仿真。结果表明：结冰表面粗糙度很大程度增强了表面的对流换热效果,导致在翼型前缘位置结冰厚度更大、冰角突出更为明显并且距离驻点区域更近。     

基于CFD技术的飞机风挡加温系统热载荷计算

热载荷计算是飞机风挡加温系统设计的基础。选取不同的飞行条件和结冰气象,基于CFD技术,通过外流场和水滴撞击特性计算得到了风挡外表面的压力分布、热流密度、对流换热系数以及局部水收集系数,最终确定了风挡防冰和防雾热载荷,并对仿真结果进行了瞬态校核。经验证表明,本文使用的计算方法合理,可以应用于工程设计。     

某型飞机机翼防冰系统计算分析

主要针对某型飞机机翼的热气防冰系统计算分析,得到水滴直径变化对撞击极限的影响,飞行马赫数变化对机翼表面换热系数的影响,分析了不同飞行高度湿表面和干表面的温度分布.结果表明水滴撞击区随着水滴直径增加而增大;机翼表面的换热系数随飞行马赫数的增加而增加;在相同计算条件下,干表面温度比湿表面温度要高.对多个典型截面以及其在不同飞行状态的计算结果表明,在给定的计算条件下,4km及7km时防冰系统工作都是有效的,7km时表面部分位置湿表面温度低于0℃.      

飞机燃油箱热分析研究

为了预测飞机燃油箱燃油温度在飞行过程中的变化情况,基于热网络法建立了飞机燃油箱非稳态热分析模型。该模型考虑了油箱内部的换热问题,同时又考虑了燃油箱壁面与外界环境间的对流换热、辐射换热以及气流的气动加热问题,将燃油箱热分析的边界扩展至燃油箱外。采用Matlab/Simulink软件实现了飞机整个航程内燃油箱系统的热分析研究,并将热分析计算结果与飞行测试数据进行了对比。结果表明,计算结果与飞行测试数据吻合良好,最大误差不超过3.2℃。     

航空发动机旋转帽罩结冰表面换热系数研究

旋转帽罩表面的对流换热系数是结冰、防冰研究的重要参数,旋转帽罩结冰模拟中对流换热量和蒸发量都需要已知对流换热系数。为了获取旋转帽罩表面的对流换热系数,采用数值模拟对旋转帽罩结冰表面的对流换热系数进行了研究。首先验证了网格与计算方法的合理性和可靠性,在此基础上,对影响表面换热的因素进行了分析,计算了不同转速、来流速度、来流温度对锥角40°,锥高176mm的旋转帽罩表面换热系数的影响。结果表明:锥尖区域,来流速度的影响与转速影响相比占主导;除锥尖外的其他区域,转速对换热系数的影响占据了主导地位;来流温度对整个表面的换热系数均有影响。采用不同工况下的数值模拟结果,在锥尖区域建立了来流雷诺数与努赛尔数之间的关联式;在除锥尖外的其他区域建立了旋转雷诺数与努赛尔数之间的关联式。     

复合热条件下椭球形封闭腔内低压气体的自然对流

以填充氦气的平流层浮空器为应用背景,对非均匀复杂热边界条件下大尺寸椭球形封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性进行了数值模拟。以Fluent软件为基础,采用用户自定义函数(UDF)自编程技术引入外部非均匀的对流-辐射耦合热边界条件,考虑了低压气体密度对压力、温度的依赖关系。分析了不同条件下腔壁与内部气体温度、对流换热特性以及流场、压力、质心变化等动力学特性,通过数据分析,获得了腔内自然对流的局部对流换热系数关联式。研究结果表明,在平流层环境下,外部非均匀热边界条件及其变化对封闭腔内低压气体的自然对流热特性与动力学特性影响很大。     

旋转轴角度对受限层板换热能力的影响

应用数值模拟的方法对旋转状态下受限层板在不同旋转角度下换热能力进行数值仿真研究。通过改变旋转轴和层板之间的角度,得出了旋转轴角度对层板换热能力的影响规律。研究结果表明:旋转轴与层板所成角度不同时,对流换热系数呈现一定的相似性;旋转轴与层板所成角为90°和270°时对流换热系数最高,浮升力最小,旋转轴与层板所成角度为0°和180°时,对流换热系数最低,浮升力最大;最高对流换热系数和最低对流换热系数相差55%左右;平行于层板的哥氏力比垂直于层板的哥氏力对流体的影响强烈。     

飞机发动机冷气道与隔热层的耦合传热分析

数值研究了某飞机发动机外侧冷气道与隔热层的耦合传热过程。采用低雷诺数k-ε模型与SIMPLEC算法计算通道内可压缩变物性气流的湍流对流换热,采用蒙特卡罗法求解通道壁面间的辐射换热。通道内气流湍流对流换热、壁面间辐射换热与隔热层内导热耦合求解。通过模拟计算,分析了通道与隔热层的耦合传热机制,考察了相关参数的影响。结果表明,在所考虑的通道结构与空气流条件下,冷气道外环壁面的温度高于气流温度,气流对内外环壁面均起冷却作用;在隔热层参数不变条件下,壁面间的辐射换热与气流的对流冷却是该传热过程的控制机制,增大冷气流量、降低壁面发射率均可显著降低隔热层的外壁面温度。     

变物性与热辐射对发汗冷却过程的影响规律研究

采用两层k-ε湍流模型对高温条件下有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:随着冷却气体流量的增加,在发汗冷却壁面附近主流气体的温度梯度大大减小,壁面温度、局部对流换热系数都迅速下降;变物性条件下同时考虑热辐射时数值计算得到的平均St相对值St/S_t0随修正注入率F/St0的变化比已知的常物性条件下的值小;随着高温气体温度的上升,变物性和热辐射对与高温流体接触的表面温度有较大影响,热辐射对壁面温度的影响比变物性更大,而对流换热系数所受的影响不大;当主流为高温气体(如:2500K)、而壁面温度较低时(如:800K)热辐射的影响不大,发汗冷却效果仍然很明显。      

某飞机高温区整体油箱部段三维瞬态温度场分析

首次使用MSC／Patran thermal 2001软件建立某飞机整体油箱部段三维瞬态温度场计算模型,用MSC／Nastran 2001求解器进行了模型的三维瞬态温度场分析,该模型模拟了发动机表面与导风罩之间的面一面辐射,油箱外壁对外部空间的热辐射,以及进气道冷空气与导风罩之间对流换热等多种复杂边界条件,在软件不具器单元死活功能的条件下,成功模拟了飞行过程中燃油的消耗。     

对流换热对ZrO_2-8%Y_2O_3涂层系统力学性能的影响

为了研究等离子喷涂ZrO2-8%(质量分数)Y2O3热障涂层系统在对流换热过程中的力学性能,以涡轮机叶片热障涂层为分析对象,结合传热学理论,通过热-结构耦合有限元计算方法对涂层与环境换热过程进行模拟仿真,重点分析换热系数以及升温速率对叶片残余应力演变的影响。研究结果表明,涂层上表面对流换热系数越大,在升温结束时残余应力越大。对流换热系数固定时,随着升温速率的提高,最大残余应力先增大再减小,给出了对流换热系数以及升温速率的合理区域。     

气动加热下飞行器油箱温度场耦合分析

气动加热与结构热传递耦合问题在航空航天领域非常重要.分析了飞行器持续受热过程中的耦合性,指出了耦合性在分析持续气动加热问题中的必要性.针对存在的耦合性,提出了一种处理方法,即在“飞机结构三维温度场分析”程序中增加气动热流工程算法,同时采用对流传热来模拟油箱内燃油与油箱内壁面传热.对流换热系数以及出口油温通过与油箱壁面结构温度耦合计算来确定,即在每个时间点上,将当前结构内壁面温度咒代入对流换热系数α以及油温L的计算公式,求得该时间点的α和t,以此实现气动/温度场/流场三个物理场的实时耦合.计算结果表明,耦合计算结果与试验结果吻合得很好.     

飞机整体瞬态热状况的数值仿真研究

 在分析飞机内外热环境的耦合传热机制基础上,建立了描述飞机整体瞬态热状况的物理数学模型。引入壁面热流函数,将飞机蒙皮外的气动对流与辐射换热作用转化为舱内热分析的浮动热边界条件,实现了飞机内外耦合热作用的解耦计算,避免了难以实现的直接耦合求解。采用区域分解技术,将飞机整体分解为特性不同的多个求解区域。采用蒙特卡罗法求解舱内设备之间的辐射换热,采用热网络法求解设备内部及各设备之间的辐射-导热-对流耦合换热。利用该方法对某型飞机飞行过程中的瞬态热状况进行了数值模拟,获得了飞机舱内的瞬态温度场,分析了相关因素的影响,为飞机设计及相关研究提供了重要依据。     

潜入式喷管喉衬界面间隙优化设计

为了解决固体火箭发动机潜入式喷管喉衬在热载荷与内压联合作用下界面间隙优化问题,数值模拟方法求解了喷管热结构响应.采用流体仿真软件,计算了潜入式喷管流动过程的稳态流场,获取了高温燃气流动参数与固体壁面对流换热系数.并采用三维有限元结构计算平台,编写了非均布壁面压力载荷与非均布对流换热系数子程序,求解了喉衬前后搭接界面间隙...     

飞机整体油箱三维瞬态温度场分析

介绍了飞机整体油箱三维瞬态温度场分析方法。利用MSC.Patran/Nastran thermal 2001软件,建立了飞机整体油箱三维瞬态温度场分析有限元模型。模拟了发动机表面与油箱底部的面—面辐射,油箱顶部对外部空间的热辐射,以及进气道冷空气与油箱底部之间对流换热等多种复杂边界条件。在软件不具备单元死活功能的条件下,成功模拟了飞行过程中燃油的消耗。本文的研究结果对飞行器油箱部件的热分析具有一定借鉴意义。     

冲压发动机油箱传热理论研究

为了研究冲压发动机长时间飞行后燃油温度是否超过所选用非金属材料的承受温度限制,使用试验测量数据构建了油箱内流和外流的传热模型,获取了不同工作状态下油箱内壁面的平均换热系数,拟合了换热系数与飞行马赫数和高度的函数关系式。对极限高温环境,典型理论飞行轨迹下油箱燃油温度和燃油使用率进行了研究。计算结果表明,飞行高度越低,马赫数越大,则换热系数越大。油箱内燃油的质量对燃油温度有重要影响。最终燃油温度不大于非金属材料承受温度180℃。      

级间通道构型对双脉冲发动机燃烧室局部受热的影响

为研究级间通道构型对双脉冲发动机一脉冲燃烧室气流再附着点的位置和对流换热系数的影响,本文采用基于格心的迎风型有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,空间离散采用AUSM-PW矢通量分裂格式,时间推进采用3阶三步TVD型Runge-Kutta显式方法,湍流模型采用适合模拟分离流动的改进SST湍流模型,并通过经验公式计算再附着点处的对流换热系数。结果表明:亚声速后台阶流动和固体火箭发动机燃烧室内流动的最大绝对误差分别为8.9%和5.8%;二脉冲工作的不同时刻,当二脉冲装药内孔直径大于级间通道直径时,级间孔直径每增大9.1%,气流再附着点位置平均减小28.2%,对流换热系数平均下降9.6%;其它条件相同时,级间孔宽度增加对气流再附着点位置和对流换热的影响比较小;级间孔角度变大使得气流再附着点的位置和对流换热系数分别平均下降3.4%和3.1%。