结冰条件下过冷水滴撞击特性及热平衡分析

摘要

飞机在含有过冷水微滴的云层中飞行时,机身部件如发动机、机翼和垂尾等,可能会出现结冰现象。这对于飞机是非常危险的,因为它会改变其原有的气动外形,使得整机升力下降,阻力增加,操控性变差。开展飞机防冰研究,可以使人们更深入认识结冰产生的机理,把握结冰危害飞行安全的规律,为飞机防/除冰装置的设计、积冰条件下飞行和操作规范的制定提供理论基础。飞机表面水滴撞击特性的研究以及防冰部件表面温度的计算,是飞机防冰研究中最基础的内容,本文采用理论分析与数值计算相结合的手段,对其进行了一系列的研究,主要包括以下几点:首先,介绍了用拉格朗日法建立了空气中过冷水滴的运动方程的具体步骤,研究了机翼表面的水滴撞击特性,并介绍了采用CFD软件Fluent计算空气流场的具体方法,开发了适用于计算二维翼型和三维机翼的水滴撞击特性的Fortran程序。其次,研究了飞行速度、水滴直径、温度、重力等对水滴撞击特性的影响,同时得到了过冷大水滴的撞击特性,并对其实际应用做了相应论述。此外,以某型发动机帽罩的截面为例,研究了建模方式以及边界层效应对局部水收集系数的影响。最后,在流场计算以及对机翼表面的水滴撞击特性研究的基础上,本文以目前应用较广的热气防冰系统为研究对象,基于能量平衡原理,考虑传热与传质耦合效果和导热的影响,改进了Messinger能量平衡模型,开发了一套计算防冰表面温度的程序。此外,本文结合实际工程需要,研究了防冰所需热量随水滴直径的变化规律。本文的研究内容包括水滴撞击特性研究和防冰部件表面热平衡分析两部分。本文首次分析了重力对水滴撞击特性的影响并得到SLD的特性,得到了防冰部件所需热量随水滴直径的变化规律,并在提高程序计算效率和结果精度方面提出了一系列新的研究思路和方法。本文所获得的水滴撞击特性及其影响规律、建立的表面温度计算方法、发展的数值计算软件,对开展飞机及发动机部件的防冰机理研究,以及防/除冰装置的优化设计、冰风洞试验技术的完善等均具有重要参考价值。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 飞机防冰技术概述

1.1 飞机结冰的基本概念

1.1.1 结冰机理

1.1.2 过冷水滴存在的大气环境

1.1.3 结冰的种类和形状

1.2 飞机结冰的危害

1.2.1 升力面结冰

1.2.2 发动机结冰

1.2.3 其他部位结冰

1.3 防冰研究的方法

1.3.1 试验模拟方法

1.3.2 数值模拟方法

1.4 国内外研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.4.3 研究现状总结及存在的问题

1.5 本章小结

第二章 水滴撞击特性的数值计算方法研究

2.1 前言

2.2 部件表面水滴撞击特性的概念

2.3 水滴轨迹的运动方程

2.3.1 基本假设和受力分析

2.3.2 阻力的计算

2.3.3 拉格朗日法建立水滴运动方程

2.4 流场的计算方法

2.4.1 翼型的网格划分

2.4.2 计算区域的边界条件

2.4.3 流场计算以及结果

2.5 算法步骤和程序流程

2.5.1 算法步骤

2.5.2 程序流程

2.6 本文程序计算水滴撞击特性的具体实现方法

2.6.1 水滴极限轨迹的寻找

2.6.2 水滴个数的判断

2.6.3 水滴所处网格单元的判断

3.6.4 网格单元内空气速度的插值求解

2.6.5 水滴运动轨迹到达边界处的判断

2.6.6 局部水收集系数的精确求解方法

2.7 水滴撞击特性数值计算方法验证

2.7.1 圆柱算例

2.7.2 NACA0012 算例1

2.7.3 NACA0012 算例2

2.8 本章小结

第三章 水滴撞击特性的影响因素分析

3.1 前言

3.2 飞行速度对水滴撞击特性的影响

3.3 环境温度对水滴撞击特性的影响

3.4 水滴重力对水滴撞击特性的影响

3.4.1 重力对水滴运动轨迹的影响

3.4.2 重力对极限轨迹起始位置的影响

3.4.3 重力对水收集区域和局部水撞击效率的影响

3.5 水滴直径对水滴撞击特性的影响

3.6 SLD 的水滴撞击特性分析和实际应用

3.6.1 SLD 的水滴撞击特性分析

3.6.2 实际应用

3.7 建模方式以及流场结果对局部水收集系数的影响

3.7.1 建模的影响

3.7.2 流场边界层的影响

3.8 本章小结

第四章 防冰部件表面温度的计算

4.1 前言

4.2 防冰系统的MESSINGER 模型简介

4.3 改进的MESSINGER 能量平衡模型

4.3.1 实际防冰部件表面的能量平衡模型

4.3.2 热流项分析

4.3.3 质量平衡模型

4.3.4 换热系数的计算

4.4 算法思想

4.4.1 壁温的求解方法

4.4.2 水膜流动以及水膜温度初始条件和边界条件的设定

4.5 程序模块和计算流程

4.5.1 程序模块

4.5.2 程序的计算流程

4.6 流场和局部水收集量的计算

4.7 本文计算方法的验证

4.7.1 壁面水流量分布计算结果验证

4.7.2 表面温度分布计算结果验证

4.8 壁面导热的影响

4.9 水滴直径对壁温和加热热流的影响

4.10 本章小结

第五章 三维水滴撞击特性的数值计算

5.1 前言

5.2 三维水滴撞击特性的计算

5.2.1 三维物面局部水收集系数定义

5.2.2 三维流场中的水滴运动方程及其求解方法、

5.2.3 水滴所在单元体的判断

5.2.4 单元内流场速度的插值求解

5.2.5 水滴轨迹与物面交点的判定

5.3 三维水滴撞击特性的数值方法验证

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 主要结论

6.1.1 主要工作和结论

6.1.2 主要创新点

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文