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典型冰形结冰机理的数值模拟与试验研究

作　者: 何舟东
导　师: 张大林
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 人机与环境工程
关键词: 结冰 冰形 水滴直径 冰风洞 试验研究 数值模拟 撞击特性
分类号: V211.74
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


对飞机的机翼而言,在飞行过程中,空气中的过冷水滴撞击翼面上结冰后,机翼的气动外形会发生变化,会产生飞行阻力增大、升力下降、临界攻角减小等一系列不利情况,甚至会发生坠机等严重事故。由此可见,研究翼面的结冰过程和结冰后翼面外形变化对机翼气动特性的影响十分重要。要研究结冰后翼面外形变化对机翼气动特性的影响,首先需要研究空气中过冷水滴撞击翼面的区域大小,以及撞击后在翼面上的结冰机理和过程,即翼面结冰区的大小、冰的生长情况和一定时间后形成的冰形。本文的研究内容包括:以NACA0012翼型为研究对象,应用自主设计的小型冰风洞系统模拟结冰气象条件(主要参数有温度,风速,液态水含量,水滴直径等),进行机翼结冰试验研究,主要探究了不同温度、不同液态水含量对于结冰极限的影响以及不同液态水含量对于冰形生长过程的影响;建立合理的结冰模型,进行机翼结冰的数值模拟,并对数值模拟结果与试验结果进行比较;最后讨论了机翼结冰对飞机气动性能的影响,计算得到三种典型冰形对气动性能的影响,并且比较得到最不利飞机气动性能的结冰情况。试验得到了三种典型冰形及其结冰气象条件,研究结果表明:温度、液态水含量对于结冰极限以及水滴撞击极限没有影响;水滴有效平均直径、风速对于水滴撞击极限有着明显的影响;液态水含量对于冰形生长形状的影响不大,相同结冰时间内液态水含量增加一倍冰形厚度也随之增加一倍;机翼结冰将会严重影响飞机的飞行性能。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-8
图表清单  8-11
符号表  11-12
第一章 绪论  12-24
  1.1 飞机结冰的基本概念  12-15
    1.1.1 结冰条件  12-13
    1.1.2 结冰机理  13
    1.1.3 结冰冰形及强度  13-15
  1.2 飞机结冰的危害性  15-18
    1.2.1 结冰对飞机气动性能的影响  16-17
    1.2.2 结冰的其他影响  17-18
  1.3 国内外研究现状  18-22
  1.4 本文研究内容  22-24
第二章 机翼结冰试验研究  24-48
  2.1 结冰试验用冰风洞  24-33
    2.1.1 本文冰风洞基本结构  25-29
    2.1.2 冰风洞喷雾系统  29-32
    2.1.3 技术参数  32-33
  2.2 结冰试验研究试验段  33-35
    2.2.1 结冰试验件  33
    2.2.2 试验段设计  33-35
  2.3 调试冰风洞  35-38
    2.3.1 风速调节与温度调节  36
    2.3.2 液态水含量LWC 和水滴有效平均直径MVD  36-38
  2.4 结冰试验方法  38
  2.5 试验结果与分析  38-48
    2.5.1 试验结果  38-41
    2.5.2 试验结果处理  41-43
    2.5.3 结果分析  43-46
    2.5.4 试验结果对比  46-48
第三章 机翼结冰数值模拟  48-68
  3.1 网格生成技术  48-53
    3.1.1 代数生成法  48-49
    3.1.2 椭圆形微分方程生成法  49-53
  3.2 控制方程  53-55
  3.3 边界条件  55-56
  3.4 过冷水滴运动及撞击特性  56-64
    3.4.1 表面水滴撞击特性  56-58
    3.4.2 水滴运动轨迹方程  58-60
    3.4.3 NACA0012 翼型表面水滴撞击特性研究  60-64
  3.5 结冰热力学模型  64-68
    3.5.1 结冰表面质量守恒  64-65
    3.5.2 结冰表面能量守恒  65-66
    3.5.3 NACA0012 翼型结冰的边界处理  66-68
第四章 结果对比及气动特性研究  68-74
  4.1 计算结果  68-69
  4.2 结果比较及其分析  69-70
  4.3 结冰翼型的气动特性研究  70-74
    4.3.1 NACA0012 翼型结冰数值计算  70-71
    4.3.2 结冰翼型气动特性数值计算  71-74
第五章 总结与展望  74-76
  5.1 本文总结  74-75
  5.2 展望  75-76
参考文献  76-80
致谢  80-81
研究生期间发表的论文  81-82
附录  82-84

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 基础理论及试验 > 空气动力学 > 实验空气动力学 > 风洞
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