飛行防冰與結(jié)冰中的流動傳熱計算方法研究.pdf

1、結(jié)冰現(xiàn)象對于飛行安全來說是一個重大的威脅。當(dāng)飛機在結(jié)冰氣象條件下飛行時，如不采取適當(dāng)?shù)姆辣胧w機迎風(fēng)部件表面就會發(fā)生結(jié)冰。近年來，由于結(jié)冰引發(fā)的飛行安全事故仍在國內(nèi)外多次發(fā)生，因此飛行結(jié)冰和防冰依然是國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的一個熱點問題。
　　作為飛行結(jié)冰和防冰問題的重要研究手段，數(shù)值模擬技術(shù)在近年來的結(jié)冰和防冰研究中得到了十分廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。本文針對目前國內(nèi)外在防冰計算領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展特點和趨勢，以商業(yè)CFD軟件ANSY

2、S Fluent作為開發(fā)平臺，圍繞防冰和結(jié)冰模擬的通用計算方法開展了如下研究工作：
　　首先，本文基于ANSYS Fluent軟件的二次開發(fā)功能，對水滴撞擊特性的計算方法進行了詳細研究，成功地在ANSYS Fluent軟件中實現(xiàn)了水滴撞擊特性的拉格朗日法和歐拉法計算。對于前者，本文基于Fluent軟件的離散相模型獲得了水滴的運動軌跡，并采用自己發(fā)展的粒子統(tǒng)計方法實現(xiàn)了復(fù)雜三維表面局部水收集系數(shù)的拉格朗日法計算。對于后者，本文采用F

3、luent軟件的用戶自定義標(biāo)量方程對水滴相運動的控制方程進行了求解，從而可以在Fluent軟件支持的任何坐標(biāo)系及邊界條件下獲得部件表面的局部水收集系數(shù)?；谏鲜龇椒?，本文對二維和三維翼型的局部水收集系數(shù)進行了算例驗證計算，得到了與文獻數(shù)據(jù)相符的計算結(jié)果。同時，本文對水滴撞擊特性的計算方法進行了拓展研究，在Fluent軟件中實現(xiàn)了過冷大水滴條件和二維軸對稱坐標(biāo)系下的局部水收集系數(shù)計算。此外，本文發(fā)展了求解水滴撞擊特性的拉格朗日-歐拉復(fù)合解

4、法，通過對算例計算的結(jié)果表明，該方法能夠有效提高歐拉法在求解水滴撞擊特性時的穩(wěn)定性和效率。
　　其次，本文開展了防冰條件下部件表面流動換熱的計算方法研究。本文從防冰計算中經(jīng)典的Messinger模型入手，對部件表面水膜流動的質(zhì)量守恒和能量守恒關(guān)系進行了分析，并發(fā)展了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格體系的表面水膜質(zhì)量平衡計算方法，以及表面溢流水膜質(zhì)量的分配方法。在防冰部件表面溫度的計算上，本文通過 Fluent用戶自定義函數(shù)將考慮溢流水膜的防冰部件

5、表面各項熱流添加到了 Fluent的能量方程中，并基于Fluent的耦合換熱壁面邊界實現(xiàn)了防冰熱氣、固壁、以及外流場在防冰條件下的耦合換熱計算?；谏鲜龇椒ǎ疚尼槍娇瞻l(fā)動機靜止部件在防冰條件下的表面溫度進行了計算，并將得到的結(jié)果與本文開展的防冰試驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果令人滿意。此外，本文還對不同算例計算中得到的表面水膜流動質(zhì)量和表面熱流進行了分析。
　　再次，本文開展了水膜破裂后表面溪流形態(tài)的計算研究。為了獲得破裂處水膜的厚度

6、，本文根據(jù)水膜很薄的客觀事實對水膜采用了速度線性分布假設(shè)，并對水膜流動中的質(zhì)量守恒和動量守恒關(guān)系進行了建模計算。為了得到水膜破裂后的溪流厚度和寬度，本文假設(shè)溪流截面為圓的一部分，根據(jù)破裂前后水膜和溪流的質(zhì)量守恒和能量守恒關(guān)系，發(fā)展了破裂后溪流幾何參數(shù)的求解方法。通過與文獻實驗結(jié)果的對比，本文方法能夠在一定誤差范圍內(nèi)對破裂后的溪流形狀進行預(yù)測?；谏鲜龇椒?，本文對不同壁面溫度和來流水滴直徑下的航空發(fā)動機支板表面溪流寬度和厚度進行了計算，研

7、究了這些因素對破裂后溪流幾何參數(shù)的影響。
　　最后，本文開展了結(jié)冰冰形的數(shù)值預(yù)測研究。本文根據(jù)結(jié)冰表面的質(zhì)量守恒和能量守恒關(guān)系，對結(jié)冰表面的熱力學(xué)模型進行了研究，并發(fā)展了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的表面冰增長迭代計算方法。為了獲得結(jié)冰冰形，本文發(fā)展了結(jié)冰后壁面節(jié)點坐標(biāo)的計算方法，并采用ANSYS Fluent動網(wǎng)格技術(shù)對結(jié)冰后流體的計算域進行了自動更新，從而實現(xiàn)了結(jié)冰過程的多步預(yù)測。通過對經(jīng)典算例的驗算，本文的冰形預(yù)測方法得到了驗證?；谏?/p>