飞机结冰风洞试验模拟研究

本文主要论述了飞机结冰风洞试验的必要性;阐述了结冰风洞试验方法;给出了相似准则和模拟参数计算结果及分析;讨论了飞行高度和大尺度水滴模拟问题。     

结冰风洞试验混合相似转换方法及其验证

相似转换是结冰风洞试验的重要技术手段,使用常见的相似转换方法有时会获得风洞能力外的转换结果,为了克服常见转换方法存在的适用范围限制,本文通过对相似参数的影响因素进行分析,获得了试验参数在相似准则约束下的变化规律和关联性.在此基础上提出了一种混和相似转换方法,其转换流程分为由水滴惯性系数和驻点冻结系数控制的两个阶段,根据满足的相似参数不同分为四种模式:模式1可以同时满足所有主要相似参数和三种热平衡参数;模式2和模式3分别为ONERA方法和Ruff方法的改进;模式4直接使用了Olsen方法.通过数值模拟和风洞试验对混合相似转换方法进行了验证,转换冰形与参考冰形基本一致,转换后的试验参数对比其他转换方法更具实用性.     

结冰风洞试验混合相似转换方法及其验证

相似转换是结冰风洞试验的重要技术手段,使用常见的相似转换方法有时会获得风洞能力外的转换结果,为了克服常见转换方法存在的适用范围限制,本文通过对相似参数的影响因素进行分析,获得了试验参数在相似准则约束下的变化规律和关联性.在此基础上提出了一种混和相似转换方法,其转换流程分为由水滴惯性系数和驻点冻结系数控制的两个阶段,根据满足的相似参数不同分为四种模式:模式1可以同时满足所有主要相似参数和三种热平衡参数;模式2和模式3分别为ONERA方法和Ruff方法的改进;模式4直接使用了Olsen方法.通过数值模拟和风洞试验对混合相似转换方法进行了验证,转换冰形与参考冰形基本一致,转换后的试验参数对比其他转换方法更具实用性.     

结冰风洞试验水滴直径选取方法

结冰风洞是开展飞机结冰研究的主要设备,确定合理的试验水滴大小,是选取结冰风洞试验条件的重要内容。为了研究结冰风洞试验水滴直径的选取原则,针对结冰风洞试验水滴的大小主要取决于试验速度的大小,在推导结冰风洞试验水滴直径选取公式的基础上,用数值方法预测并对比了不同试验速度对水滴大小选取效果及试验结果的影响。采用欧拉法数值计算了不同试验速度及相应试验水滴条件下,试验模型表面的水滴收集率,并与全尺寸物体表面的水滴收集率进行了对比。研究发现:对于小水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值不能取得太低,参考速度升高到一定程度之后,试验速度与参考速度的比值又不能取得太高;对于大水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值也不能取得太低,当参考速度升高到一定程度之后,试验速度和相应试验水滴直径的改变对模型表面的水滴收集率影响较小,试验速度与参考速度的比值在0.3～1.0之间变动,均可以在模型和全尺寸物体上得到一致的水滴收集率。     

四自由度飞机结冰脱落模拟研究

飞机表面的冰粒脱落可能会对安装在尾部的发动机和其他飞机部件造成破坏,直接影响到飞机的安全飞行。在对实际结冰脱落过程进行合理简化的基础上,建立了四自由度结冰脱落轨迹模型,应用3阶Runge-Kutta方法求解冰粒运动方程,并嵌入了气动阻尼对冰粒轨迹的影响;同时将计算得到的冰粒轨迹及转角与文献中的计算和试验结果进行了对比验证;最后模拟并分析了不同形状、尺寸、初始俯仰角及气动阻尼对于冰粒运动轨迹的影响,为飞机表面结冰脱落的进一步研究工作提供了参考。     

机翼结冰分析与防除冰系统设计验证

飞机在结冰条件下飞行时可能发生结冰,飞机一旦结冰,会对安全飞行带来较大的隐患,如何降低飞机结冰带来的危害已成为飞机设计研究的重点内容.通过FENSAP-ICE对机翼进行数值模拟,并通过改进Messinger结冰热力学模型模拟更加真实的飞行情况;分析不同飞行环境下,飞机结冰前后机翼气动特性的变化,同时针对机翼设计一套防除冰系统并验证其可行性.结果表明:飞行速度越大,机翼表面的局部水收集系数越大;环境温度会影响机翼结冰的类型和结冰厚度,机翼发生结冰时,其升力系数减小、阻力系数增大,机翼的气动特性受到严重的影响;设计的电热防冰系统可以有效地预防机翼表面结冰,也可以进行周期性除冰.     

小型垂直轴风力机叶片结冰风洞试验与数值计算

利用风洞试验和数值模拟相结合的手段,研究了小型垂直轴风力机叶片在旋转状态下的结冰特性以及结冰后翼型与风力机的气动特性变化,以期为建立较复杂的大型水平轴风力机叶片旋转试验系统和研究其结冰机理、防除冰技术提供参考。试验在东北农业大学自行设计的利用自然低温的结冰风洞中进行,获得了采用NACA0018翼型的小型2叶片垂直轴风力机风轮在5种尖速比下的结冰分布：风力机叶片结冰遍布叶片整个表面,随着尖速比的增大,结冰形状出现不对称性。同时,数值模拟结果表明：叶片结冰后,随着尖速比的增加和结冰量的增多,升力系数降低阻力系数增大的趋势明显,风力机的功率系数也随之下降。分析发现,叶片结冰导致不同旋转角下叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,从而气动特性发生变化,影响了风力机性能。     

机翼三维结冰数值模拟

采用欧拉-拉格朗日法计算空气、水滴两相流动,根据质量守恒和能量守恒计算结冰量和溢流水量,溢流水的流动方向及不同方向的流量分配由当地空气的速度矢量、网格边界的法向量计算得到。采用非稳态方法、非结构网格计算了NACA0012平直翼、截面为GLC-305的后掠翼的结冰,并与文献中的实验结果进行了对比,结果显示最大结冰厚度与实验吻合较好,预测的冰形与实验冰形发展趋势一致。计算结果表明,提出的三维结冰计算方法是有效、可行的,为三维结冰计算提供了一条可选的途径。     

飞机结冰风洞试验模拟研究

为了探索掌握移动式冰风洞校测、结冰和防/除冰试验的一般方法,使其可用于飞机进气系统地面防冰试验,开展了对移动式冰风洞模拟云雾参数的校测。通过金属圆柱管结冰对比确定水滴过冷距离,采用格栅测量云雾均匀性,利用机载雾滴组合探测器测量水滴直径与液态水含量,并对发动机短舱唇口模型、NACA23012翼型模型进行了结冰和防/除冰研究试验。研究表明虽然户外模拟结冰条件受环境因素影响较大,但移动式冰风洞喷雾性能良好,试验能够反映在各因素影响下的一般结冰规律,可以满足飞机进气系统防/除冰试验要求。     

一种用于飞机结冰的海绵冰模型及应用

基于两相流理论,采用欧拉法对飞机结冰进行数值模拟,在空气流场速度分布的基础上,求解水滴流场,得到水滴收集率和撞击极限.结果表明:欧拉法比拉格朗日法在计算水滴收集效率和撞击极限方面有优势,尤其是在较大的水滴平均等效直径情况下.对翼型的冰形和圆柱表面的温度预测数据和实验数据进行对比,圆柱冰形厚度误差在15.0%之内,计算结果与实验结果吻合较好,同时表明结冰模型是有效可行的.      

运输机翼型结冰的计算和实验

采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段,对某运输机机翼剖面缩比翼型的结冰特性进行了研究.结冰实验在气动中心0.3m×0.2m结冰风洞中进行,实验模型为弦长0.18m的层流翼型.翼型的绕流流场通过求解低速黏流的时均Navier-Stokes(N-S)方程得到,采用拉格朗日法计算水滴撞击特性,在此基础上,求解结冰热力学模型...     

涡扇发动机短舱结冰试验相似方法

通过分析短舱表面结冰缩比试验相似要求,在保证绕流流场、水滴撞击特性和结冰冰型相似的基础上,分别采用基于气流雷诺数,气流韦伯数和水滴韦伯数3种速度选取方法建立了试验相似准则。利用该准则获得了明冰和霜冰条件下涡扇发动机短舱1/2缩比模型的结冰试验参数,开展了短舱进气道表面结冰冰型预测,对参考模型和缩比模型表面过冷水滴撞击特性、结冰特性、溢流水分布特性进行了分析。结果表明:采用基于气流韦伯数和水滴韦伯数速度选取方法的相似准则,在明冰和霜冰条件下均能保证缩比模型与参考模型表面水滴撞击特性相似,且相似性不受结冰温度影响;溢流水变化趋势与参考模型相似,流动极限相近;缩比模型表面冰型均与参考模型相似,该方法能够为短舱结冰试验参数选取提供依据。      

飞机结冰冰形测量方法研究进展

不同气象环境下飞机部件的结冰外形是飞机结冰研究不可缺少的内容,它对开展结冰气动分析、结冰防护设计、结冰飞行操作和结冰适航取证等研究具有重要意义。结合国内外冰形测量技术发展现状,从接触测量方法和非接触测量方法两个方面分别介绍了现有冰形测量技术的操作流程及测量原理,系统分析总结了各自存在的优缺点。在此基础上,结合飞机结冰和结冰风洞试验的特点,归纳了冰形测量技术下一步发展面临的挑战,包括全类型结冰的精确测量、结冰全貌三维测量和结冰生长过程实时测量等,同时,从基础测量手段与数值计算融合发展的角度,展望了冰形测量方法未来的发展趋势。     

液滴变形-袋式-多模式破碎转换研究

飞机在结冰环境下飞行将会遇到过冷水滴,水滴与气流的相互作用会使水滴变形,运动轨迹发生改变。针对水滴在均匀气流中运动变形过程,采用相场方法捕捉水滴形态变化,结合格子玻尔兹曼通量求解器计算水滴‒空气两相流流场,比较了不同We数和Oh数、不同环境温度下的水滴形态变化及水滴运动加速过程,分析了水滴后缘流动发展特征及水滴变形过程的动力学行为规律;提出了水滴在气流中的运动阻力模型,进行了水滴撞击特性计算,并与实验结果进行对比,验证了水滴阻力模型的准确性。研究发现：水滴在气流中的变形具有轴向压缩与径向压缩交替进行的特征,轴向压缩过程中的水滴最大纵横比随时间逐渐减小;水滴临近破碎时,边缘较厚,中心逐渐变薄,直至破碎;低温环境温度影响水滴变形幅度,但对于水滴运动过程的影响较小。本文建立的水滴阻力模型可实现更准确的水滴撞击特性计算,为后续飞机结冰计算提供准确输入。

     

民用飞机结冰研究相关技术及进展

飞机结冰是影响飞行安全的重要因素之一,结冰研究对分析民机安全性、适航性等具有重要意义。简述了飞机结冰形成机理以及对飞行特性的影响,描述了按结冰部件、结冰物理过程和几何形状的结冰分类形式,介绍了结冰研究的三种主要方法,分析了与结冰相关的应用研究,包括防/除冰方法和适航验证技术,最后对飞机结冰研究进行了讨论和展望。     

结冰实验段空气-水混合流动过程的数值模拟

针对结冰实验段内低温空气与高温雾化水滴的混合流动过程进行了数值模拟,采用拉格朗日方法建立了空气-游离水滴/冰粒多相混合流动与传热传质的一维分析模型,考虑了水滴粒径分布、相变及空气-水滴/冰粒传热传质等因素,求解了流道内气流温度/湿度/速度,水滴温度/速度/半径等参数沿流动方向的变化,分析了水滴粒径分布、气流温度、液态水含量、相对湿度等参数对流动与传热过程的影响,与已有数据的对比验证了模型及结论的正确性.      

旋转部件复杂表面水滴撞击计算

为模拟旋转体结冰问题的过冷水滴运动及撞击过程,基于欧拉方法及单旋转坐标系模型,建立了三维旋转水滴运动模型,并提出了相应的数值求解方法。采用单旋转坐标系对空气及水滴两相流动过程进行处理,通过引入惯性力,将惯性系下的周期转动边界转换为定常流动边界;利用欧拉方法,使用单向耦合形式描述空气—水滴流场;在单旋转坐标系下,向控制方程内引入科里奥利加速度及牵连加速度,进行非惯性系下欧拉方程的修正,从而描述水滴运动过程;采用有限容积求解器对空气及水滴运动的控制方程组进行求解,通过引入源项定义单旋转坐标系下的惯性力,得到空气流场及水滴场的速度、体积分数分布,进而得到表面水滴撞击特性。采用上述方法对旋转帽罩与叶片模型进行算例分析,结果表明所建立的旋转水滴计算方法有效,对比静止状态表面的结果,旋转对帽罩的水滴撞击特性影响甚小,而对桨叶存在显著影响;由于帽罩具有中心对称的特性,因而旋转带来的切向速度变化对其水滴撞击特性影响不明显;桨叶表面水滴收集系数随旋转角速度增大而增大,同时收集系数在表面的分布会向迎风方向偏移,较大的角速度对应了更为显著的收集系数增幅与偏移现象。