旋转整流罩积冰模拟实验与冰脱落轨迹数值计算研究

摘要

当飞机穿过含过冷水滴的云层时，发动机进口旋转整流罩迎风表面会产生积冰现象。积冰不仅减小流通面积、破坏气动特性、造成发动机推力降低，冰层一旦脱落后被吸入发动机内还可能打伤高速旋转的叶片，威胁飞行安全。目前，国外对机翼等飞机部件的积冰及其表面脱落冰运动轨迹的研究已经比较成熟，但对旋转整流罩则未见公开的文献报道；国内在此领域的研究基本处于空白状态。本文将对旋转整流罩表面的积冰进行实验研究，并对其表面脱落的冰在发动机流场中的运动轨迹进行数值模拟。
　　首先，本文采用冰风洞模拟实验的方法对六种锥角的缩比旋转整流罩模型表面的积冰过程进行了研究。在静止件积冰相似理论的基础上推导了旋转表面的积冰相似参数系，确立了积冰实验参数的计算方法，在此基础上设计并制造了旋转整流罩积冰实验装置，实验中采用高速摄影系统记录冰层的生长和冰形。实验结果表明旋转整流罩表面积冰随时间推进由光滑平整明冰向不平整明冰、粒状冰及羽毛状霜冰发展。锥角对旋转整流罩表面积冰形态的影响显著，锥角小于等于74°时，生成针状或粒状冰，不易脱落；锥角大于80°时，生成厚度较大的羽毛状霜冰，会产生脱落现象。论文还揭示了在气流作用下薄水膜非稳定流动以及离心力导致旋转整流罩表面积冰发展的机理。
　　然后，本文以旋转坐标系为参考系，建立了旋转整流罩表面球形脱落冰在涡扇发动机进口流场中运动的数学模型，考虑了脱落冰所受的气动拖拽力、压差阻力、离心力以及哥氏力，并据此开发了球形脱落冰运动轨迹的计算程序。采用该程序与商业软件 NUMECA计算得到的发动机进口空气流场数据对球形脱落冰的运动过程进行了数值模拟。计算结果表明脱落冰从整流罩表面到发动机进口截面的时间很短，不超过20ms；脱落冰的直径较大时，更易飞向外涵；脱落位置越靠近下流的球形冰更易进入发动机内涵。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 旋转整流罩积冰模拟相似实验方法

2.1 实验冰风洞

2.2 积冰模拟实验参数的确定

2.3 旋转实验装置的设计及制造

2.4 冰生长图形记录设备

2.5 实验步骤

第三章 旋转整流罩积冰模拟实验结果及分析

3.1 图像处理方法

3.2 84°锥角旋转整流罩冰生长与脱落过程分析

3.3 旋转整流罩积冰生长机理

3.4 锥角对旋转整流罩积冰的影响分析

3.5 小结

第四章 球形脱落冰运动数学模型与计算方法

4.1基本假设

4.3 脱落冰在流场中的运动方程

4.2 脱落冰所在空气流场的控制方程

4.4 脱落冰运动方程的离散

4.5 脱落冰运动轨迹计算程序的开发

第五章 球形脱落冰运动轨迹计算及结果分析

5.1脱落冰运动轨迹计算流程

5.2 脱落冰所在流场计算模型及数据处理

5.3 脱落冰运动轨迹的计算条件

5.4 脱落冰运动轨迹计算结果及分析

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录