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。     

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.     

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。     

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。     

自然结冰和模拟结冰飞行试验研究

本文介绍了飞机和发动机自然结冰飞行试验和模拟结冰飞行试验的试验方法，着重分析了它们的试验特点，并对我国结冰试验的现状进行了简要的分析。     

飞机机翼积冰研究方法和进展分析

通过对目前国内外研究飞机机翼积冰三种方法的分析,指出了它们各自优缺点,重点介绍了现行国内外研究的进展和新趋势,提出了研究方法的改进方案和进一步研究的建议。     

飞机三维结冰模型及其数值求解方法

 对飞机结冰外形进行纯三维数值模拟,是目前飞机结冰预测中的一大难点。为了建立三维结冰数值模拟方法,基于Messinger的二维结冰模型,提出了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型,并针对该模型建立了表面单元内溢流水流动的分配方案、发展了相应的迭代求解方法。采用本文方法对MS-317后掠翼结冰进行了计算,并与实验和Lewice3D的计算结果进行了对比。研究结果显示：本文方法具有较好的收敛性,计算的霜冰和明冰外形均与Lewice3D计算的冰形一致;对于霜冰和结冰时间较短的明冰,本文计算的冰形与实验吻合较好;对于结冰时间较长的明冰,本文计算的冰形与实验对比还有一定差异,但冰生长的总体趋势和大致体积与实验一致。同时,对比了MS-317无后掠翼与有后掠翼结明冰的外形,发现机翼后掠导致的三维溢流效应对结冰外形有明显影响,因此,对于三维结冰分析,如果用二维截面的结果来代替三维结果,其合理性还需验证。     

基于XML技术的结冰后飞机纵向稳定性计算

飞机结冰会使飞机的空气动力学性能恶化,严重影响飞机的稳定性和操纵性.因此,计算飞机稳定性对于保障飞机飞行安全具有重要的意义.本文通过基于XML建模语言技术,建立结冰后飞机气动增量模块计算飞机纵向稳定性.结果表明,用此方法可以方便快捷地计算飞机纵向稳定性.     

飞机机翼表面霜状冰结冰过程的数值模拟

提出了一种处理结冰后结冰表面固壁区域移动的移动边界技术,结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,对霜状冰的结冰过程进行了数值模拟,得到了NACA0012机翼在0°和4°攻角下机翼表面结冰后形成的冰形,与文献中的实验数据对比,表明本文的方法是可行和有效的。      

带压缩性修正的离散涡方法在结冰数值模拟中的应用

离散涡方法（DVM）是一种无网格的涡运动算法,适用于解决易产生分离流的非定常问题,将其应用于结冰过程中的流场求解,在有效模拟分离流动的同时能避免冰形尖角对网格质量的影响。但离散涡方法基于不可压 N-S 方程,无法应用于预测可压缩流动下的结冰过程。本文在离散涡方法的基础上添加普朗特—格劳尔特压缩性修正,进行基于离散涡方法的可压缩流动下的数值模拟,并将其应用于翼型结冰预测;对流场分布、结冰冰形和结冰模型计算过程等仿真结果进行对比和分析。结果表明：引入压缩性修正后的离散涡方法能较好地模拟可压缩流动,与实验值相比,基于该方法得到的结冰数值模拟结果符合良好,对结冰数值模拟在工程上的应用提供了一定的参考。     

结冰对飞机动力学特性影响的分析方法及其进展

详细地介绍了常用的四种典型的结冰对飞机动力学特性影响的分析方法,即参量测算评估法、结冰影响参数法、神经网络气动建模法和动力学建模与仿真计算法,并讨论了各种分析方法的特点及其发展.     

基于非结构动态网格的翼型积冰过程数值模拟

讨论了积冰气象条件下翼型积冰过程的非结构动态网格数值模拟方法.外部无黏绕流流场采用基于非结构网格的分布式并行计算技术,空间离散采用VanLeer迎风有限体积格式,时间推进为5步显式龙格-库塔方法.采用四阶龙格-库塔方法求解过冷水滴运动轨迹方程,使用了一种合理、简单的物面水积冰量计算方法,提高了计算效率.使用非结构动态网格技术对积冰后的翼型网格进行快速调整.在对NACA0012翼型积冰形状进行校核验证后,对某型飞机在积冰气象条件下飞行时翼型积冰过程进行了数值模拟,得到了与参考文献结果相符的冰形特性.     

翼型结冰过程数值模拟验算与分析

应用FENSAP-ICE结冰计算软件,对NACA0012翼型进行了流动特性、水滴撞击特性以及冰型生成过程的计算;同时,对结冰前后的翼型进行气动力特性计算对比分析,其中包括升力特性对比、阻力特性对比、流场细节分析以及压力系数分布对比。计算结果表明：翼型前缘结冰后,导致翼型前缘气流提前分离,最大升力系数、失速攻角大幅减小,...     

基于等 Weber 数的结冰外形修正

由于设备条件的限制,在进行结冰风洞试验时,试验 Weber 数与目标 Weber 数往往存在差异,为了获得与目标 Weber 数对应的冰形,需要对试验结果进行修正。本文分析了进行 Weber 数修正的原因,提出了根据几何特征量进行结冰外形修正的方法,并以某超临界翼型为对象,对不同 Weber 条件下的结冰外形进行了仿真,研究了Weber 数变化对结冰的影响规律,在此基础上开展了基于等 Weber 数的结冰外形修正。研究发现：(1)Weber 数主要影响冰角特征,对水滴收集特性、结冰极限及驻点冰厚度影响较小;(2)存在一个敏感 Weber 数,低于敏感值时, Weber 数变化对结冰影响不大,当 Weber 数高于敏感值时,Weber 数变化对结冰有明显影响;(3)采用本文提出的冰形修正方法,能保证冰形的宏观轮廓与目标冰形一致,修正后的冰形能适量消除由于 Weber 数误差导致的冰形差异,提高试验的精度。