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结冰环境下过冷水滴参数变化及其撞击特性分析

作　者: 蔡英磊
导　师: 董威
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力工程
关键词: 航空发动机结冰流场模拟水滴撞击特性水膜破裂
分类号: V231
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

飞行结冰是现代飞行安全中的最大的环境隐患。对大量飞行事故的研究表明，即使飞机的关键部位只发生少量结冰，也会严重影响飞机的升阻力特性及其他气动性能，引起飞机操纵性和稳定性的恶化；对于航空发动机而言，进气部件的结冰轻则会堵塞发动机进气流路，重则会引发进气畸变，造成推力的急剧下降，涡轮进口温度上升。此外，脱落的冰块还有可能直接撞击风扇及内涵压气机转子叶片，造成发动机的机械损伤，这些都可能引发严重的飞行安全事故。因此，开展飞机及发动机防冰研究，可以使人们更深入认识结冰产生的机理，把握结冰危害飞行安全的规律，为飞机及发动机防/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。结冰环境下，撞击飞机防冰部件表面过冷水滴的参数及水滴撞击特性的研究，是飞机防冰试验研究中最基础的内容，材料表面特性对于防冰效果的影响是较有潜力的被动式防冰研究内容，本文分别采用理论分析、数值计算和试验拟合，对以上问题进行了一系列的研究，主要包括以下几点：1)通过对过冷水滴——空气混合流场进行计算，建立描述冰风洞中水滴运动过程中各个参数变化的数学模型，并在此基础上对水滴运动过程中的温度、速度、粒径等参数变化进行研究，分析不同来流速度、温度、水滴初温和来流相对湿度对于水滴状态参数和撞击时各参数的影响，以此定量得到测试环境参数对试验结果的影响。2)开展过冷水滴撞击过程中融合、飞溅等动力学特性的研究。通过理论分析，从能量角度出发建立过冷水滴在撞击过程前、后能量变化的模型，根据能量与形态的平衡关系，得出水滴撞击之后融合或飞溅的变化情况，从而对飞机表面水滴实际的收集情况进行模拟。3)对于不同表面，如疏水涂层表面和普通铝制表面的水膜流动特性，对水膜在气动力驱动下的流动破裂特性进行理论分析和试验研究，观察水膜在不同速度、温度、厚度下的破裂情况，试得出水膜破裂的经验关联式，并结合理论模型分析不同疏水性质涂层对于结冰过程中表面换热特性及结冰速度和形状的影响。本文主要以建立水滴、空气混合流场、分析不同水滴的撞击特性和研究材料表面特性对于水膜破裂的影响，讨论了飞机表面结冰时可能出现的不同情况，从而得出不同环境因素对于飞机发动机或飞机其他关键位置的结冰的影响，为实际的飞机防冰措施提供理论参考方向。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
符号说明  10-15
第一章绪论  15-27
  1.1 课题研究背景及意义  15-19
    1.1.1 飞机结冰的危害  16-18
    1.1.2 国内外研究现状  18-19
  1.2 飞机结冰机理  19-22
    1.2.1 过冷水滴在飞机上的冻结过程  20-21
    1.2.2 结冰的种类和形状  21-22
  1.3 防冰研究的方法  22-25
    1.3.1 试验模拟方法  22-24
    1.3.2 数值模拟方法  24-25
  1.4 课题研究的主要内容  25-27
第二章过冷水/空气流动模型建立  27-45
  2.1 前言  27-28
    2.1.1 研究内容及意义  27
    2.1.2 研究对象  27-28
  2.2 液态水滴的传热传质及动量变化  28-34
    2.2.1 液态水滴的热力参数变化  28-32
    2.2.2 空气的温度及湿度变化  32-34
  2.3 固液混合态水滴的参数变化  34-40
    2.3.1 结冰开始时水滴热力参数的变化  34-35
    2.3.2 结冰开始后水滴的参数变化  35-40
  2.4 完全结冰后冰晶的参数变化  40-43
    2.4.1 冰晶的热力参数变化  40-42
    2.4.2 空气的温度及湿度变化  42-43
  2.5 本章小结  43-45
第三章水滴参数变化的计算及其因素影响分析  45-81
  3.1 前言  45-59
    3.1.1 计算意义  45-46
    3.1.2 影响水滴参数变化因素的分析  46-50
    3.1.3 参数计算方法  50-56
    3.1.4 基准状态计算  56-59
  3.2 喷嘴出水状态对水滴参数变化的影响  59-68
    3.2.1 不同水滴初始温度的对比  59-61
    3.2.2 不同水滴初始速度的对比  61-63
    3.2.3 不同水滴初始直径的对比  63-66
    3.2.4 不同液态水含量的对比  66-68
  3.3 主流空气参数对水滴参数变化的影响  68-76
    3.3.1 不同来流空气温度的对比  69-71
    3.3.2 不同来流空气速度的对比  71-73
    3.3.3 不同来流相对湿度的对比  73-76
  3.4 过冷水滴结冰对于水滴参数的影响  76-79
  3.5 本章小结  79-81
第四章水膜破裂的理论分析与试验设计  81-98
  4.1 前言  81-85
    4.1.1 液膜流动状态及其稳定特性  81-82
    4.1.2 气动作用下的液膜流动  82-83
    4.1.3 液膜流动破裂特性  83-85
  4.2 水膜破裂的理论分析  85-91
    4.2.1 干斑与横向区变形模型  85-88
    4.2.2 表面能角度的分析  88-91
  4.3 试验设计与试验方法  91-94
    4.3.1 试验设计  91-93
    4.3.2 试验方法  93-94
  4.4 试验设备  94-97
    4.4.1 主试验台  94-95
    4.4.2 电路循环  95-96
    4.4.3 水路循环  96-97
  4.5 本章小结  97-98
第五章水膜破裂试验结果及水滴撞击特性的影响  98-119
  5.1 前言  98-103
    5.1.1 试验内容及意义  98-99
    5.1.2 试验误差分析  99-101
    5.1.3 基准状态试验  101-103
  5.2 水滴撞击特性对水膜流动破裂的影响  103-106
    5.2.1 水滴撞击对水膜流动破裂影响的机理分析  103-105
    5.2.2 基于NACA0012翼型的计算分析  105-106
  5.3 喷嘴流速对于水膜破裂的影响  106-108
    5.3.1 不同流速的试验结果  107
    5.3.2 不同流速试验结果的分析  107-108
  5.4 热流密度对于水膜破裂的影响  108-110
    5.4.1 不同热流密度的试验结果  109-110
    5.4.2 不同热流密度试验结果的分析  110
  5.5 平板角度对于水膜破裂的影响  110-113
    5.5.1 不同水平夹角的试验结果  111-112
    5.5.2 不同水平夹角试验结果的分析  112-113
  5.6 平板表面特性对于水膜破裂的影响  113-116
    5.6.1 不同平板材料的试验结果  114-115
    5.6.2 不同平板材料试验结果的分析  115-116
  5.7 试验结果及本章小结  116-119
    5.7.1 试验结果  116
    5.7.2 主要工作  116-117
    5.7.3 结果与展望  117-119
第六章工作总结与展望  119-122
  6.1 主要工作与结论  119-121
    6.1.1 主要工作  119-120
    6.1.2 结论与成果  120-121
  6.2 工作展望  121-122
参考文献  122-128
致谢  128-129
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  129

结冰环境下过冷水滴参数变化及其撞击特性分析

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