飞机机翼表面霜冰的三维数值模拟

基于欧拉两相流理论对三维情况下飞机机翼表面的霜冰进行了数值模拟.根据水滴拟流体模型建立三维水滴控制方程;提出一套水滴控制方程的数值求解方法;由三维水滴流场的求解结果计算机翼表面的水滴收集特性,提出一种三维积冰外形的生成方法,完成了对飞机机翼表面霜冰的三维数值模拟.对ONERA M6机翼在不同迎角下霜冰的积冰情况进行了数值预测,并分析了结冰条件对积冰的影响.      

不同来流条件对机翼结冰及气动特性影响研究

针对三维机翼结冰问题,基于Navier-Stoke控制方程,采用多时间步长的计算方法,通过求解气液两相流的Eluer法得到空气中水滴的轨迹,再根据Messinger模型计算结冰冰形来实现对机翼结冰的数值模拟。首先以三维NACA0012机翼为研究对象,进行结冰数值模拟方法验证,随后计算不同迎角和不同来流速度对三维ONERA M6机翼结冰冰形的影响,最后分析了机翼结冰对气动特性的影响规律。结果表明,结冰后机翼的阻力系数增大,升阻比减小;来流速度对机翼前缘的结冰类型影响较大,当机翼前缘的结冰类型由霜冰变为混合冰时,将使机翼的气动特性恶化。     

三维翼面结冰过程及其影响数值研究

为得到三维机翼及翼身尾构型在结冰条件大气中的结冰过程和影响,采用结构化网格对M6机翼和翼身尾构结冰过程进行数值模拟,对飞机结冰过程的数值模拟采用欧拉两相流法求解水滴撞击特性,基于Messinger热力学模型模拟冰形增长过程,对其水滴撞击特性、结冰形状及结冰后对气动特性影响进行研究.分析结果可得:机翼展向,随着弦长变小,结冰量逐渐增多,尤其对大展弦比机翼更为明显.同时机身前端迎风面也是比较容易积冰的区域.     

动力对全机水滴收集率的影响计算

针对飞机在飞行中遭遇过冷水滴撞击并结冰现象,建立了适合于发动机带动力情况下结冰过程水滴收集率计算的三维数值方法和计算程序.其基本思路为:采用多块技术与SIMPLE方法计算空气流场,以流场分布的计算结果为基础,求解水滴相的控制方程,进而获得物体表面的水滴收集率.空气相控制方程和水滴相控制方程均写成典型输运方程的形式,采用一致的有限体积法离散求解,方便了计算程序的编制.对某型运输机巡航构型有/无动力条件的水滴收集率进行了比较计算,获得了不同直径水滴在飞机表面的撞击特征以及水滴收集率在飞机机翼、平尾、垂尾和发动机进气道唇口上的分布规律.研究表明:(1)发动机是否带动力对机翼、平尾、垂尾的水滴收集率基本无影响;(2)飞机带动力主要影响发动机进气道唇口处的水滴收集率,带动力后唇口的收集率比无动力情况高,水滴撞击范围增大,在进行防除冰研究和设计时需引起重视.     

浅析过冷大水滴规章对防冰系统设计的影响

阐述了FAA颁布过冷大水滴规章的背景,浅析了即将新增的FAR25.1420过冷大水滴结冰条件条款,以及其对机翼防冰系统和结冰探测系统设计的影响;相比14CFR附录C结冰条件,过冷大水滴结冰条件的水滴撞击区较大,更容易在结冰防护区后部形成严重的后溜冰,应增加上表面弦向防护区的范围;基于已有的结冰探测系统,在机翼上表面容易形成后溜冰的部位,装备能够齐平安装的结冰探测器作为补充,是一种有效探测过冷大水滴结冰条件的方式;浅析了FAR25附录O过冷大水滴结冰条件的分类;给出了修订后的25.1093（b）的防冰译文。     

基于CFD的机翼结冰过程分析

采用一种适用于分析机翼结冰过程的数值模拟方法,该方法在飞机结冰气象条件下采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）对机翼流场进行计算,获得流场中二维机翼翼型的水滴撞击特性,并遵循质量和能量守恒方程,计算出机翼表面的结冰量,预测出机翼的积冰形状。所得冰形与文献中的试验数据吻合良好,表明数值模拟方法有效。另外还分析了结冰对机翼升力、阻力和压力系数的影响,其结果可以指导飞机机翼防／除冰系统的设计研究     

机翼结冰分析与防除冰系统设计验证

飞机在结冰条件下飞行时可能发生结冰,飞机一旦结冰,会对安全飞行带来较大的隐患,如何降低飞机结冰带来的危害已成为飞机设计研究的重点内容.通过FENSAP-ICE对机翼进行数值模拟,并通过改进Messinger结冰热力学模型模拟更加真实的飞行情况;分析不同飞行环境下,飞机结冰前后机翼气动特性的变化,同时针对机翼设计一套防除冰系统并验证其可行性.结果表明:飞行速度越大,机翼表面的局部水收集系数越大;环境温度会影响机翼结冰的类型和结冰厚度,机翼发生结冰时,其升力系数减小、阻力系数增大,机翼的气动特性受到严重的影响;设计的电热防冰系统可以有效地预防机翼表面结冰,也可以进行周期性除冰.     

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...     

三维复杂表面水滴撞击特性计算

为预测多段翼和发动机进气道等三维复杂形状表面在结冰气象条件下的水滴撞击特性,提出了一种基于欧拉两相流模型求解水滴收集系数的方法.空气相和水滴相认为是单相耦合的,空气流场由Euler或Navier-Stokes(N-S)方程独立求得.给出了一种水滴相撞击壁面边界条件的处理方法.为避免因局部水滴容积分数异常而导致计算发散,提出了一种自适应的数值扩散模型以增加高阶计算的稳定性.验证计算了圆柱、MS(1)-0317翼型、球面等典型二三维物面的收集系数,并计算了水滴直径呈某种分布时的情形.与公开发表的试验数据对比表明,计算方法准确有效,能很好的应用于三维复杂表面的水滴撞击特性预测.      

过冷水滴撞击三维机翼的数值模拟

基于欧拉两相流理论,提出一种数值模拟过冷水滴撞击三维机翼的方法.根据水滴拟流体模型建立三维水滴控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对机翼表面的撞击;由水滴流场的求解结果得到机翼表面的水滴收集特性.对ONERA M6机翼表面的水滴收集特性进行了研究,计算结果表明所提出的数值模拟方法是有效、可行的,可以为三维积冰的数值模拟研究奠定良好的基础.      

飞机三维结冰模型及其数值求解方法

 对飞机结冰外形进行纯三维数值模拟,是目前飞机结冰预测中的一大难点。为了建立三维结冰数值模拟方法,基于Messinger的二维结冰模型,提出了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型,并针对该模型建立了表面单元内溢流水流动的分配方案、发展了相应的迭代求解方法。采用本文方法对MS-317后掠翼结冰进行了计算,并与实验和Lewice3D的计算结果进行了对比。研究结果显示：本文方法具有较好的收敛性,计算的霜冰和明冰外形均与Lewice3D计算的冰形一致;对于霜冰和结冰时间较短的明冰,本文计算的冰形与实验吻合较好;对于结冰时间较长的明冰,本文计算的冰形与实验对比还有一定差异,但冰生长的总体趋势和大致体积与实验一致。同时,对比了MS-317无后掠翼与有后掠翼结明冰的外形,发现机翼后掠导致的三维溢流效应对结冰外形有明显影响,因此,对于三维结冰分析,如果用二维截面的结果来代替三维结果,其合理性还需验证。     

飞机机翼积冰研究方法和进展分析

通过对目前国内外研究飞机机翼积冰三种方法的分析,指出了它们各自优缺点,重点介绍了现行国内外研究的进展和新趋势,提出了研究方法的改进方案和进一步研究的建议。     

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。      

计入离心力影响的直升机旋翼翼型结冰数值模拟

建立了一套计入离心力影响的直升机旋翼翼型结冰的数值模拟方法.首先生成围绕翼型的贴体正交网格,然后用Navier-Stokes（N-S）方程求解黏性绕流流场.在此基础上,利用拉格朗日法建立水滴运动方程.其中,为提高计算效率,提出了结合位移矢量的水滴所处单元寻觅方法.最后,结合桨叶工作特点,发展了一种计入离心力影响的三维结冰模型.通过与桨叶结冰实验的对比,验证了本文结冰预测方法的可靠性.对比常规结冰模型,桨叶结冰量减少22.3%;若考虑桨叶的挥舞运动影响,桨叶结冰量进一步减少,表明了离心力及桨叶运动在结冰数值模拟中的重要性.通过不同剖面间的结冰量和冰形对比,分析并获得了桨叶结冰特征.结果表明离心力的影响程度随径向位移的增加而增加,下翼面结冰量随挥舞角的增加而减少.      

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。      

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。      

模拟飞机迎风面三维积冰的数学模型

针对飞机迎风面的积冰建立了三维积冰模型,给出了模型的求解方法和求解步骤.该模型不但可以模拟明冰积冰、霜冰积冰和不结冰三种情况下的冰层生长,还可以模拟未凝结水膜在冰层表面的流动,而且在求解过程中可以自动判断过冷水滴撞击到迎风面以后的积冰形态.利用该模型数值模拟了翼型与平板相正交而形成的简单三维结构上的积冰过程,并将所得结果中翼型上三维冰形的二维截面与美国航空航天局(NASA)的冰形进行了对比,获得了较好的一致性,证实了所建立的积冰模型是合理的.      

锥角对旋转整流罩积冰影响的模拟实验

采用缩比模型对4种不同锥角的旋转整流罩进行了冰风洞积冰模拟实验.推导出旋转表面积冰相似参数,并根据重要参数的匹配确定缩比整流罩模型的积冰实验参数.在实验中采用高速摄像系统记录冰生长过程及最终冰形.结果表明:4种锥角的整流罩表面积冰均由初期生成、分布连续的明冰和后期增长迅速的白色霜冰构成;锥角小于等于74°的整流罩表面霜冰为针状或粒状,积冰厚度较小;锥角大于80°的整流罩表面霜冰为羽毛状,积冰厚度较大,并伴随冰脱落现象,锥角较大的整流罩冰脱落位置向下游移动.      

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.     

基于非结构动态网格的翼型积冰过程数值模拟

讨论了积冰气象条件下翼型积冰过程的非结构动态网格数值模拟方法。外部无黏绕流流场采用基于非结构网格的分布式并行计算技术,空间离散采用VanLeer迎风有限体积格式,时间推进为5步显式龙格 库塔方法。采用四阶龙格 库塔方法求解过冷水滴运动轨迹方程,使用了一种合理、简单的物面水积冰量计算方法,提高了计算效率。使用非结构动态网格技术对积冰后的翼型网格进行快速调整。在对NACA0012翼型积冰形状进行校核验证后,对某型飞机在积冰气象条件下飞行时翼型积冰过程进行了数值模拟,得到了与参考文献结果相符的冰形特性。