热气防冰系统中短小销钉强化传热数值模拟

热气防冰是目前飞机常用的防冰技术之一,为了提高热气防冰系统的防冰效率,提出使用短小销钉绕流强化传热的方式.利用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的方法研究了不同结构阵列销钉绕流对双蒙皮防冰通道的强化传热效果和流动阻力的影响,主要包括:销钉高径比、销钉阵列型式以及槽道高度.研究结果表明:加入销钉特别是叉排销钉能够强化传热,但也会引起流动阻力的增大;槽道高度小于1 mm时,传热效果的提高不明显,无需销钉来提高传热.研究结果为热气防冰系统双蒙皮通道的设计提供了一定的理论指导.     

高超声速下表面凸起干扰气动热实验研究

 对高超声速飞行器表面凸起附近的气流流动和气动加热开展了实验研究和分析。实验在高超声速炮风洞中进行,来流马赫数为8.2、单位雷诺数为9.35×10⁶ m^-1。利用薄膜传热测量方法进行了凸起几何形状和边界层状态对干扰流动加热的影响评估。利用流油图谱和纹影摄像法得到了凸起周围的流动特征:若凸起上游边界层未分离,最大峰值热流发生在凸起侧方附近处;若凸起上游边界层完全分离,最大峰值热流通常发生在凸起的上游表面。实验发现最大峰值热流和来流边界层状态关系不大,原因是流动干扰区表现出较强的三维扰动特性,使得来流层流边界层在干扰区内会转变成过渡甚至完全湍流状态。     

热气防冰腔结构参数对其热性能影响研究

采用数值模拟方法,开展了热气防冰系统结构参数对其热性能影响的研究。首先建立了不同管壁距、喷孔排数、喷口喷射角度的防冰腔结构,运用计算流体力学方法对其内部热气流动与换热进行了模拟,得到了防冰腔热效率以及热气喷射蒙皮内表面的对流传热系数的分布。结果表明:管壁距在4mm至36mm范围内增大,将降低防冰腔的热效率,并且弱化射流正对冲击表面传热性能;流量一致时,喷孔排数由3排减至2排,提高了防冰腔热效率;3排喷孔射流角度朝上表面方向旋转15°,将会提升防冰腔热效率,表明曲面曲率影响射流表面传热性能。     

基于特征正交分解法的翼型结冰冰形快速预测

为加快翼型结冰冰形的计算速度,提出了一套基于特征正交分解(POD)法的结冰冰形快速预测算法.通过计算流体动力学(CFD)数值模拟计算得到的冰形结果作为样本,以结冰温度单参数变化时为例,详细介绍了POD法预测结冰冰形的实现步骤.考虑结冰温度、结冰时间以及液态水含量的影响,完成了单参数、两参数与三参数变化时的POD结冰冰形快速预测.通过算例结果发现:完成POD预测计算只需几秒钟且POD法与CFD法得到的冰形吻合较好,仅在冰角附近有较小差别,表明POD方法能够快速、准确地得到翼型的结冰冰形.      

混合相/冰晶条件下的结冰研究综述

针对混合相/冰晶结冰问题,阐述了与过冷水结冰的差异及其危害。从混合相/冰晶结冰地面模拟试验设备、试验现象以及数值模拟3个方面详细论述了混合相/冰晶结冰的研究进展。其中,地面模拟试验设备以Cox冰风洞、NRC高空试验设备、NASA推进系统试验室、德国布伦瑞克冰风洞为例,总结了各自的冰晶生成方法和试验能力;分别介绍了以上4个地面模拟设备中开展的混合相/冰晶试验,分析了其试验现象的异同和产生的原因;针对混合相/冰晶结冰数值模拟中面临的4个关键问题：冰晶运动融化相变、冰晶黏附、侵蚀、结冰过程模拟,总结了现有模型和模拟方法,提出了不足之处。最后,对混合相/冰晶结冰有待进一步重点关注的研究方向进行了展望。     

热气防冰系统内表面弦向传热性能衰减规律

利用反向热流法实验研究了弦向3排射流喷口,且中央喷口正对前缘驻点结构下射流冲击热气防冰系统前缘内表面的局部传热特性。重点研究了喷孔射流出口雷诺数Re_j、笛形管相对于前缘的距离与孔径比Z_n/d、射流冲击驻点区弦向弧长与孔径比r/d对冲击前缘靶面的局部传热性能分布的影响。实验中Re_j范围为2.5×104~1×105,Z_n/d范围为1.736~27.5,r/d范围为13.21~61.5。结果表明,局部传热性能分布曲线为从驻点开始向两侧衰减的钟形曲线,包括稳定段、下降段和结束段3部分,其中稳定段只受参数r/d的影响,而参数Re_j、Z_n/d和r/d均能够明显影响下降段的下降速率,参数r/d则几乎不会改变下降段的总下降幅度。总结了此类喷口结构下射流冲击前缘换热性能衰减分布曲线的通用实验关联式,以指导防冰系统的设计和热性能的评估。      

防冰热载荷计算的一种新方法

提出了一种计算飞机防冰热载荷的新方法,该方法利用CFD软件FLUENT及其自带的用户自定义函数UDF进行数值模拟。首先用FLUENT的两相流欧拉模型模拟空气-水滴两相流动,进而使用FLUENT内部的数据结构,通过UDF二次开发计算水滴撞击量和防冰热载荷,并且利用FLUENT的后处理功能对计算结果进行可视化图形显示。以某3D迎角传感器为例,进行了三维空气-水滴两相流和防冰热载荷计算,防冰所需热功率计算结果和实验数据误差为7.5%,在工程计算允许范围内。     

风对弹射座椅救生性能的影响

 针对某型弹射座椅建立了考虑风速的弹射过程动力学模型。选取不同风速风向和不同弹射速度作为计算状态,对弹射救生过程进行数值仿真,根据仿真结果分析风对弹射座椅救生性能的影响。通过在低速和中速两个弹射速度下,前向风、侧向风和大气垂直运动对弹射座椅救生性能影响的分析可知:较大的逆风不但会降低伞衣充满的轨迹高度,而且会产生人伞系统的振荡和摇摆,对安全救生存在一定的影响;大气的垂直运动对弹射救生系统的救生性能影响最大,它直接影响到救生系统的纵向运动轨迹。研究结果表明:前向风、侧向风和大气垂直运动均会对弹射座椅的救生性能产生不利影响,在真实的弹射过程中必须考虑风速对弹射救生性能的影响。     

防冰表面的对流换热计算分析

利用动量和热边界层积分分析的方法对采用电热防冰的二维机翼对流换热系数进行了数值计算,比较了等温突捩以及变温光滑两种不同的边界层模型.层流向湍流转捩的起始点位置和过渡区域的长度由经验公式判断,并通过内外热流耦合迭代求解得到了防冰表面的平衡温度,与文献试验值进行了比较.所得结果表明:加入过渡区模型可较好地预测对流换热系数及防冰表面温度.同时,结果还表明环境压力变化对换热系数的的影响较大.      

三维内外热耦合计算热气防冰系统表面温度

提出了一种三维内外强固传热耦合计算热气防冰系统表面温度的方法并进行算例计算.外部表面传热系数计算采用附面层积分方法,内部热气流动与换热采用CFD(计算流体动力学)方法,利用FLU-ENT的用户自定义函数UDFs(user-defined functions)实现蒙皮外表面热载荷计算及热流边界条件的自动加载,使迭代自动推进.对表面温度及外部热载荷进行亚松弛来稳定迭代计算,用强固传热耦合迭代来加快计算速度.所研究的三维热气防冰系统表面温度计算新方法可应用于防冰系统的热性能验证及系统优化.