热防冰条件下的机翼三维积冰及其气动影响的数值研究

论文摘要

当飞机穿过含有过冷水滴的云层时,撞击到迎风部件表面上的过冷水滴将冻结成冰。常见的积冰类型有霜冰、明冰和混合冰。积冰会破坏部件表面的气动外形,可导致飞机失速和发动机喘振。为减小积冰对飞行性能的影响,一般会在迎风部件前缘采取加热措施,此时过冷水滴难以全部在防冰区域冻结成冰,未冻结水膜流动至机翼后缘并冻结为冰脊。冰脊结构坚固且气动外形差,对飞机气动性能的影响更为严重。在未冻结水膜的流动过程中必然伴随着蒸发,而且蒸发会对该过程中的质量交换和能量交换产生影响,进而影响到迎风表面上的冰层厚度和积冰区域。一方面蒸发会减小水膜厚度和覆盖区域;另一方面蒸发会加快水膜表面与流场的换热,并在热防冰条件下显得更为明显。本文考虑了蒸发对积冰过程的影响,并对蒸发量和水膜表面温度进行耦合求解,发展了适用于热防冰条件下的三维积冰模型的数学模型及其计算方法,补充了相应的程序。随后数值模拟了机翼表面上的明冰积冰和冰脊积冰,并分别与相应的实验结果进行对比,验证了热防冰条件下的三维积冰模型的合理性。基于该三维积冰模型,本文数值模拟了机翼表面在不同防冰热流密度下的三维积冰,展现了随防冰热流密度变化而变化的积冰形态,得到了不同积冰形态与积冰时间对气动性能的影响,并分析了不同积冰形态下的水膜流动状态。数值计算结果表明:随着防冰热流增加,机翼表面积冰形态从明冰逐渐过渡到冰脊,最终只存在水膜流动而无积冰;明冰和冰脊均会使机翼的气动性能变差,该影响会随着积冰时间的推移而增强,并且冰脊对气动性能的影响更严重。本文还对积冰算例进行简单的单区防冰设计,得到了水膜覆盖区域与防冰热流密度的对应关系,并找出了最佳防冰热流设置区域。数值计算结果表明:与干表面防冰相比,机翼表面采用湿表面防冰更为经济;机翼表面的水膜覆盖区域会随着防冰热流密度的增加而逐渐变小,当该长度与水滴撞击区域相同时可以得到最小防冰功率。本文发展的适用于热防冰条件下的三维积冰模型可以模拟无防冰/热防冰条件下的积冰过程,为飞机积冰预测和热防冰设计提供技术支持。

论文目录

摘要

abstract

注释表

缩略词

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 飞机积冰及其危害

1.1.2 常见的防（除）冰方法

1.1.3 热防冰条件下的积冰形态

1.1.4 积冰形态对气动性能的影响

1.2 国内外研究现状

1.2.1 机翼表面积冰模型的研究现状

1.2.2 防冰方法的研究现状

1.2.3 冰脊积冰模拟的研究现状

1.2.4 冰脊对气动性能影响的研究现状

1.3 本文的主要工作

第二章流场计算的基本方程和计算方法

2.1 基本假设

2.2 表面粗糙度的处理

2.3 空气-过冷水滴两相流场的计算方法

2.3.1 连续方程

2.3.2 动量方程

2.3.3 能量方程

2.3.4 湍流方程

2.4 局部水收集系数的计算方法

2.5 升阻力系数的计算方法与算例验证

2.5.1 计算方法

2.5.2 算例验证

2.5.3 粗糙度影响

2.6 本章小结

第三章热防冰条件下的三维积冰模型及计算方法

3.1 基本假设

3.2 积冰模型

3.2.1 连续方程

3.2.2 动量方程

3.2.3 能量方程

3.2.3.1 积冰控制体中的能量守恒分析

3.2.3.2 未冻结水膜的能量方程

3.2.3.3 冰层中的能量方程

3.2.4 水膜蒸发量及其求解

3.2.5 冰层生长速度方程与积冰判据

3.2.6 水膜吹离的处理

3.3 积冰计算方法与流程图

3.4 积冰算例验证与分析

3.4.1 计算模型与网格划分

3.4.2 明冰计算验证

3.4.3 冰脊计算验证

3.5 本章小结

第四章热防冰条件对机翼表面三维积冰过程的影响

4.1 计算模型、网格划分与边界条件

4.2 计算结果与分析

4.2.1 两相流场及水膜表面换热量分析

4.2.2 防冰热流密度对积冰形态的影响分析

4.2.3 机翼表面冰层/水膜厚度分析

4.2.4 机翼表面水膜温度和蒸发量分析

4.2.5 不同积冰形态下的升阻力分析

4.2.6 明冰/冰脊积冰形态随时间的变化及其升阻力分析

4.3 本章小结

第五章机翼表面上防冰模拟的初步研究

5.1 防冰热载荷的计算方法

5.1.1 干表面防冰

5.1.2 湿表面防冰

5.2 计算模型、网格划分与边界条件

5.3 单区防冰设计的初步计算与分析

5.3.1 两相流场及水膜表面换热量分析

5.3.2 水膜分布随时间的变化

5.3.3 水膜分布随防冰热流密度的变化

5.3.4 水膜表面温度和蒸发量与防冰热流密度的关系

5.3.5 防冰需求功率

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭灵波

导师: 曹广州

关键词: 热流防冰,冰脊积冰,水膜流动,水膜蒸发,气动性能

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程

单位: 南京航空航天大学

基金: 江苏省自然科学基金项目(中小型无人机结冰预测与热防冰设计关键技术研究,NO.BK20150740)

分类号: V211.41;V244.15

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000918

总页数: 82

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