旋转帽罩热管防冰性能数值模拟研究

摘要

在一定的飞行条件和气象条件下，航空发动机的进气部件，如进气道、风扇叶片、支板、旋转帽罩等会出现结冰现象。如果冰层快速增加，减小进气道气流流通的截面积，导致航空发动机性能恶化。旋转帽罩结冰严重时，直接会增加旋转帽罩的重量，增大发动机负荷，会使发动机不能正常工作。如果发生冰脱落，甚至会危及发动机的安全。所以，为了防止帽罩结冰，必须对帽罩进行防冰处理。与热气防冰、憎水涂层防冰等方式相比，旋转热管防冰具有独特的优势。但目前对旋转热管内部工质流动和传热机理认识仍不十分清楚，有待进一步研究。
　　为了揭示旋转热管内部工质的复杂流动和准确描述旋转热管内部工质流动和传热特性，本文采用VOF多相流模型，将液体和蒸气作为一个整体的区域，建立基于完整Navier-Stokes方程组的二维数学模型，以揭示更多的细节特征和旋转热管内部流动和传热特性规律。
　　本文采用CFD软件结合气液界面追踪程序和导热定律的界面相变模型，对轴向旋转热管内部工质流动和传热特性进行了数值模拟研究。分别研究了纯导热蒸发模型和考虑自然对流的蒸发模型，并和实验结果进行了对比，以探索相变模型的优劣。采用了考虑自然对流的相变模型，分析了传热量、充液量、转速和工质等参数对旋转热管流动和传热特性的影响规律。研究表明：蒸发段采用纯导热蒸发模型，其数值模拟结果和实验值误差较大。考虑自然对流的相变模型，其数值模拟结果和实验值吻合很好，验证了该模型的可靠性和准确性。传热量对传热性能影响较小；转速越高，传热性能越强；充液量对传热性能影响较小，这和文献中的实验结论一致；工质的物性参数对旋转热管传热性能影响显著。全锥度旋转热管和典型旋转热管具有相似的工作特性。和典型旋转热管相比，全锥度旋转热管具有更好的传热性能和其冷凝段具有更好的均温性。
　　基于之前的旋转热管研究工作，采用了考虑自然对流的相变模型，对旋转帽罩热管防冰装置进行了防冰性能的数值模拟研究。研究发现，热载荷对整个装置的传热性能影响较小，防冰热载荷对帽罩表面均温性有影响；转速越高，传热性能越强，转速对帽罩表面均温性影响较小；导热材料的导热系数越大，帽罩表面均温性越好。另外，在防冰工况下，润滑油和环境温差在100℃以上，而维持帽罩表面温度在结冰温度以上时，蒸发段和帽罩表面温差远远低于这个值，表明以润滑油作为热源的旋转热管具有帽罩防冰的可行性。本文形成了基于数值计算的旋转帽罩热管防冰装置的设计方法，可以用来研究不同结构、不同工作参数对其影响规律，大大减少了人力、物力和财力，从而为工程设计提供了支持和指导。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2旋转热管概述

1.3国内外研究现状

1.4国内研究现状

1.5热管多相流以及相变模型的研究现状

1.6本文研究内容

第二章 旋转热管多相流模型

2.1引言

2.2多相流模型

2.3本章小结

第三章 旋转热管相变模型

3.1引言

3.2Lee相变模型

3.3基于导热定律的界面相变模型

3.4本章小结

第四章 典型旋转热管流动和传热数值研究

4.1引言

4.2 基于导热定律的界面相变模型（封闭系统，蒸发段纯导热）的数值模拟研究

4.3 基于导热定律的界面相变模型（封闭系统，蒸发段有自然对流）的数值模拟研究

4.4本章小结

第五章 全锥度旋转热管流动和传热数值研究

5.1引言

5.2几何模型

5.3网格划分及独立性验证

5.4初始条件及边界条件

5.5数值模拟及结果分析

5.6本章小结

第六章 旋转帽罩热管防冰性能数值模拟研究

6.1引言

6.2旋转帽罩热管防冰装置

6.3防冰热负荷计算

6.4几何模型

6.5网格划分及独立性验证

6.6初始条件及边界条件

6.7数值模拟及结果分析

6.8本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2结论

7.3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