飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰的數(shù)值模擬研究.pdf

1、飛機(jī)在穿越云層飛行時(shí)，云層中的過(guò)冷水滴撞擊到飛機(jī)表面，會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，飛機(jī)結(jié)冰對(duì)飛行安全造成很大的危害，因此飛機(jī)結(jié)冰的研究歷來(lái)受到世界各國(guó)的重視。飛機(jī)結(jié)冰是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，涉及到流體力學(xué)、傳熱學(xué)以及空氣動(dòng)力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，由于國(guó)內(nèi)不具備冰風(fēng)洞試驗(yàn)條件，飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往依賴于工程估算，本文采用數(shù)值模擬對(duì)飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行了研究，這可以一定程度上彌補(bǔ)試驗(yàn)條件欠缺的不足，這方面的工作國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。 本文的研究工作

2、主要有以下幾個(gè)方面：1）簡(jiǎn)述了飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象及其主要研究方法，著重介紹了飛機(jī)結(jié)冰數(shù)值模擬研究的發(fā)展?fàn)顩r；2）在對(duì)發(fā)生飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象的飛行和氣象條件分析的基礎(chǔ)上，確定了采用基于壓力的方法求解N-S方程來(lái)計(jì)算結(jié)冰時(shí)的空氣流場(chǎng)，推導(dǎo)了貼體坐標(biāo)系下同位網(wǎng)格上推廣到可壓縮流動(dòng)的基于壓力的SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)采用高階格式離散，為了更好的處理可壓縮流動(dòng)，把一種同時(shí)具有有界性和TVD特性的高階格式推廣到非均分網(wǎng)格使用，離散時(shí)界面密度采用高階格式，提高了

3、基于壓力的方法捕捉間斷的能力。通過(guò)算例對(duì)比研究，選用了適用于飛機(jī)結(jié)冰研究的湍流模型。3）對(duì)建立水滴運(yùn)動(dòng)方程的Euler型方法進(jìn)行了研究，在合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，建立了適用于飛機(jī)結(jié)冰研究的空氣/過(guò)冷水滴兩相流控制方程。根據(jù)飛機(jī)結(jié)冰氣象條件的特點(diǎn)，研究了方程的求解方法，提出了一種便捷穩(wěn)定的求解方法。本文利用所提出的方法和編制的程序，在光滑以及結(jié)冰表面算例考核的基礎(chǔ)上，研究了高階格式、可壓縮性、飛行和氣象條件對(duì)水滴撞擊特性的影響，對(duì)比了采

4、用水滴平均直徑和考慮水滴直徑方分布的撞擊特性的差異，并把計(jì)算結(jié)果與Lagrange方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。4）對(duì)結(jié)冰模型進(jìn)行了研究。首先基于Messiger的思想建立了一種結(jié)冰模型，分析了模型的特點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)該模型的缺點(diǎn)，進(jìn)行了第二代結(jié)冰模型的研究，在分析國(guó)外早期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一種分區(qū)的結(jié)冰模型，把結(jié)冰區(qū)域分為水膜結(jié)冰區(qū)和水珠結(jié)冰區(qū)，并對(duì)兩個(gè)區(qū)域分別建立了結(jié)冰模型。本文所建立的結(jié)冰模型同時(shí)考慮了冰層內(nèi)部的導(dǎo)熱，可以進(jìn)行防/除

5、冰系統(tǒng)工作時(shí)具有融化界面時(shí)的計(jì)算。5)進(jìn)行了在飛機(jī)結(jié)冰模擬中嵌入粗糙度影響的方法的研究，提出了一種基于湍流模型的結(jié)冰粗糙表面換熱的處理方法，將文獻(xiàn)中由試驗(yàn)數(shù)據(jù)到粗糙表面壁面率引入到兩層壁面函數(shù)中使用，對(duì)該方法飛機(jī)結(jié)冰粗糙表面換熱預(yù)測(cè)的能力進(jìn)行了比較全面的考核對(duì)比，取得了滿意的結(jié)果，并與目前廣泛采用的邊界層積分法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。6）對(duì)結(jié)冰后邊界的移動(dòng)方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于基于多點(diǎn)數(shù)據(jù)平滑器和三次參數(shù)樣條插值的邊界移動(dòng)和邊界重