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飞机积冰的数值计算与积冰试验相似准则研究

作　者: 易贤
导　师: 朱国林
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 飞机积冰前缘积冰霜冰明冰混合冰冰脊气动特性积冰试验相似准则防/除冰水滴撞击特性
分类号: V211.7
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

飞机积冰是飞机在积冰气象条件下飞行时,大气中的液态水在部件表面冻结并累积成冰的一种物理过程,是飞行实践中广泛存在的一种现象,也是导致飞行安全事故的主要隐患。开展飞机积冰研究,可以使人们更深入认识积冰产生的机理,把握积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。预测给定气象条件下前缘积冰的种类和冰的外形、预测冰脊的体积与位置、评估不同类型和强度的冰对空气动力学特性的影响,是飞机积冰研究中最基础的内容;积冰试验相似准则是进行冰风洞试验的理论基础,也是试验参数选取的依据;对以上内容的研究在我国还刚起步,远落后于国外先进水平,尤其是冰脊和积冰试验相似准则,国内还没有开展相关研究。为了加深对积冰的认识,填补国内相关研究的不足,本文采用理论分析与数值计算相结合的手段,以预测积冰及其对气动特性影响为研究的出发点,对前缘积冰、冰脊和积冰试验相似准则进行了系统的研究,取得了一系列有价值的成果:(1)对数值计算积冰的三个基本步骤(流场计算、水滴运动及撞击特性计算、积冰热力学模型求解)进行了深入研究,建立了数值计算积冰的基本构架和算法,为开展积冰数值研究奠定了基础。①采用SIMPLE方法求解了低速粘流的时均N-S方程,将粘性效应引入到积冰计算中,为水滴运动和积冰相变计算提供了更准确的流场信息,克服了大多数积冰计算中忽略粘性的缺点。②给出了部件表面水滴撞击特性的具体计算方案和步骤,计算了单尺寸、多尺寸分布水滴在物面的局部收集系数,计算结果与实验相吻合,可以进一步应用于飞机积冰研究以及防/除冰系统设计。③基于对Messinger模型的分析,给出了一种改进的积冰热力学模型,针对该模型发展了相应的数值求解方法,该方法采用迭代技术,可以根据求解结果直接给出冰的组成和类型。(2)发展了一套用于前缘积冰计算的数值软件IRC(Ice Research Code),采用该软件计算了二维物面上的前缘积冰成长过程,研究了积冰后的空气动力学特性,系统讨论了环境温度、过冷水滴直径以及液态水含量对积冰的影响。这些工作对深入认识积冰机理和防/除冰装置的设计具有重要意义。①数值计算了霜冰、明冰和混合冰在二维圆柱和NACA0012翼型前缘的累积成长过程,冰形计算结果与实验吻合较好,说明本文采用的模型和算法是可信的,详细描述了用于多段翼积冰的算法,计算了NLR7301两段翼积冰,发现襟翼积冰严重。②数值计算了积冰之后的流场,得到了积冰对空气动力特性的影响规律,计算发现圆柱积冰之后,升、阻力特性的周期性遭到破坏,尤其是混合冰和明冰导致的破坏明显,NACA0012翼型积冰之后,失速攻角减小,升力减小而阻力增加,NLR7301两段翼积冰之后,整个翼型的升阻力特性完全恶化,主翼的压力分布破坏最明显,而积冰对襟翼的压力分布破坏程度稍轻。③系统研究了环境温度、过冷水滴直径以及液态水含量对积冰的影响,获得了这些因素影响积冰的规律,研究表明,温度和液态水含量通过影响冻结比例来改变冰的类型,对于积冰中常见的过冷水滴,其直径对积冰的影响主要体现是积冰的区域随水滴直径变化而变化,冰的厚度随水滴直径增加而增加。(3)给出了三维积冰计算中水滴运动和撞击特性的计算方法;构建了三维物面上积冰热力学模型的计算方案;发展出一套三维积冰计算软件IRC3D,并在国内首先开展了数值计算三维机翼前缘积冰的工作;对比了NACA0012平直机翼与相同条件下二维翼型积冰的结果,结果显示三维计算的水滴撞击特性以及冰形均与二维结果吻合,初步说明IRC3D及其算法对平直翼的积冰计算是成功的;研究了ONERA M6机翼前缘积冰,发现越靠近翼梢,最大局部收集系数值越大,从翼根到翼梢,冰逐渐变厚,冰的组成中,霜冰特征所占的比例逐渐变小,而明冰特征所占比例逐渐变大;计算了某运输机翼梢天线罩前缘积冰,分析了积冰后的气动特性。以上工作及成果为进行三维复杂外形(如全机)积冰分析奠定了基础。(4)开展了冰脊形成及其对气动特性影响的研究。提出了一种计算冰脊质量和体积的方法,该方法能给出特定气象条件下的冰脊质量;系统研究了冰脊对气动特性的影响,分析了带冰脊机翼的流场结构,计算了冰脊对机翼气动力和铰链力矩的影响,发现冰脊的存在使得流场出现分离,机翼表面的压力分布遭到破坏,其中副翼后缘出现吸力峰,引起升力变小和阻力增加,研究还发现冰脊不但使副翼铰链力矩改变,而且使得副翼偏转相同角度时,铰链力矩梯度发生变化,会影响到飞机的操纵性能,给飞行安全带来隐患。(5)对积冰试验相似准则进行了系统研究,提出了一种改进的积冰试验相似准则,可应用于冰风洞试验,作为试验的理论基础和参数选取的依据。①阐述了建立相似准则的原则和方法,给出了相似参数的定义和推导公式;在总结分析国外的一些相似准则的基础上,给出了一种改进的积冰试验相似准则,该准则将动压相等的假设引入并作为建立相似准则的要求,从而将压力与速度关联起来,克服了AEDC和ONERA准则的不足。②根据本文提出的相似准则,建立了试验参数选取方法,并发展了相应的数值计算程序。③在没有冰风洞的情况下,首次提出采用数值方法对相似准则进行验证的思路,采用IRC对本文准则进行了验证,初步证明了本文准则的有效性。④对相似准则进行了应用,除了进行参数的选取,还给出了利用相似准则预估冰风洞高度模拟能力的方法,并对某设计中的冰风洞模拟能力进行了预估,其结果可作为冰风洞参数设计的参考。本文的研究涵盖了前缘积冰、冰脊和积冰试验相似准则三方面的内容,首次将数值手段用于计算冰脊和验证积冰试验相似准则,提出了一系列新的研究思路和方法。通过本文工作所获得的积冰及其影响规律、建立的积冰数值计算方法、发展的数值计算软件、提出的积冰试验相似准则,对于分析积冰对飞行安全的危害、防/除冰装置的设计、冰风洞试验等均具有重要价值。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-12
第一章绪论  12-40
  1.1 飞机积冰的基本概念  12-19
    1.1.1 飞机积冰的气象条件  13
    1.1.2 积冰分类  13-17
    1.1.3 积冰强度、积冰程度  17-19
  1.2 飞机积冰的危害  19-22
    1.2.1 升力面积冰  20-21
    1.2.2 发动机积冰  21-22
    1.2.3 其他部位积冰  22
  1.3 积冰预测与冰对气动特性影响的研究概况  22-31
    1.3.1 基本研究手段  23-26
    1.3.2 国外积冰数值研究进展综述  26-30
    1.3.3 国内研究现状与差距  30-31
  1.4 本文的工作  31-33
  参考文献  33-40
第二章流场计算方法  40-59
  2.1 前言  40
  2.2 控制方程及其离散  40-46
    2.2.1 控制方程  40-41
    2.2.2 控制方程的离散  41-46
  2.3 压力修正算法  46-49
  2.4 边界条件  49-51
  2.5 代数方程组的求解  51-54
  2.6 流场计算方法验证  54-56
    2.6.1 NACA0012 翼型绕流计算  54-55
    2.6.2 NLR7301 两段翼的数值计算  55
    2.6.3 S型管道的数值计算  55-56
  2.7 本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第三章过冷水滴运动及其撞击特性研究  59-79
  3.1 前言  59-60
  3.2 部件表面的水滴撞击特性  60-62
  3.3 水滴轨迹运动方程  62-64
  3.4 水滴轨迹运动方程的求解方法概述  64-68
    3.4.1 水滴运动方程的解析近似求解方法  65-66
    3.4.2 水滴运动方程的数值解法概述  66-68
  3.5 本文计算水滴撞击特性的方法和步骤  68-72
  3.6 单尺寸水滴撞击特性研究  72-75
    3.6.1 极限轨迹的寻找  72
    3.6.2 圆柱表面的水滴撞击特性  72-74
    3.6.3 MS317 翼型表面水滴撞击特性  74-75
  3.7 多尺寸分布水滴撞击特性研究  75-76
  3.8 本章小结  76
  参考文献  76-79
第四章积冰的热力学模型  79-94
  4.1 前言  79-80
  4.2 积冰表面的质量平衡  80-81
  4.3 MESSINGER的积冰传热模型  81-82
  4.4 积冰热力学模型的改进  82-85
  4.5 改进后积冰热力学模型的求解  85-91
    4.5.1 积冰表面各热力学量的计算  85-90
    4.5.2 改进后积冰热力学模型的求解  90-91
  4.6 本章小结  91-92
  参考文献  92-94
第五章二维外形前缘积冰及气动特性的数值计算  94-123
  5.1 前言  94-95
  5.2 圆柱积冰及其流体力学特性的计算分析  95-96
    5.2.1 圆柱积冰的数值预测  95-96
    5.2.2 积冰圆柱流体力学特性的计算分析  96
  5.3 NACA0012 翼型积冰及其气动特性分析  96-98
    5.3.1 NACA0012 翼型积冰的数值预测  96-97
    5.3.2 积冰翼型的气动特性计算  97-98
  5.4 两段翼积冰及其气动特性的数值计算  98-101
    5.4.1 NLR7301 两段翼积冰的数值预测  98-100
    5.4.2 NLR7301 两段翼积冰的气动特性计算  100-101
  5.5 温度、水滴直径以及液态水含量对积冰的影响研究  101-103
    5.5.1 温度对积冰的影响研究  101-102
    5.5.2 过冷水滴直径对积冰的影响研究  102-103
    5.5.3 液态水含量对积冰的影响研究  103
  5.6 本章小结  103-120
  参考文献  120-123
第六章三维外形前缘积冰的数值计算  123-140
  6.1 前言  123
  6.2 三维水滴撞击特性计算  123-128
  6.3 三维物面积冰形成计算  128-130
  6.4 三维机翼积冰的数值计算  130-132
    6.4.1 NACA0012 平直机翼积冰的数值计算  130-132
    6.4.2 M6 机翼积冰的数值计算  132
  6.5 翼梢天线罩积冰及气动特性的数值计算  132-133
  6.6 本章小结  133-138
  参考文献  138-140
第七章冰脊的计算及带冰脊机翼气动特性研究  140-159
  7.1 前言  140-141
  7.2 冰脊形成的计算方法  141-143
  7.3 冰脊对二维翼型气动特性影响的数值研究  143-145
    7.3.1 光滑翼型流场和压力分布  143
    7.3.2 不同高度冰脊对气动特性的影响  143-144
    7.3.3 不同弦向位置冰脊对气动特性的影响  144-145
    7.3.4 小结  145
  7.4 展向冰脊对三维机翼气动特性影响的数值研究  145-146
    7.4.1 冰脊对流场分布的影响  145-146
    7.4.2 冰脊对气动力的影响  146
    7.4.3 冰脊对副翼铰链力矩的影响  146
  7.5 本章小结  146-157
  参考文献  157-159
第八章积冰试验相似准则研究  159-183
  8.1 前言  159-160
  8.2 积冰试验相似准则的定义  160-166
    8.2.1 积冰试验的相似性要求  160-165
    8.2.2 积冰试验相似准则  165-166
  8.3 积冰试验相似准则的改进  166-169
    8.3.1 国外已有的一些积冰试验相似准则介绍  166-168
    8.3.2 积冰试验相似准则的改进  168-169
  8.4 试验参数的选取  169-172
    8.4.1 试验参数选取的基本步骤  169-170
    8.4.2 试验速度的选取  170-171
    8.4.3 其他试验参数的选取  171-172
  8.5 积冰试验相似准则的数值验证  172-175
  8.6 应用实例  175-180
    8.6.1 模拟不同高度积冰的冰风洞试验参数选取  175-176
    8.6.2 典型运输机积冰地面试验参数选取  176-177
    8.6.3 某冰风洞高度模拟能力预估  177-180
  8.7 本章小结  180-181
  参考文献  181-183
第九章结束语  183-187
致谢  187
作者简历  187-188
攻读博士学位期间文章发表情况  188
攻读博士学位期间参与科研工作情况  188

飞机积冰的数值计算与积冰试验相似准则研究

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