【摘 要】
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当飞机穿过含有过冷水滴的大气或云层时,过冷水滴会撞击在机翼、发动机进口等迎风部件上,从而发生结冰现象。飞机迎风部件表面结冰会降低飞机的气动特性与操纵性能,危害飞机
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当飞机穿过含有过冷水滴的大气或云层时,过冷水滴会撞击在机翼、发动机进口等迎风部件上,从而发生结冰现象。飞机迎风部件表面结冰会降低飞机的气动特性与操纵性能,危害飞机安全。因而对飞机结冰问题进行研究,具有重要的工程意义。明冰是最常见也是危害最大的一种积冰形态,其表面覆有一层薄水膜,水膜会往下游流动,并在流动过程中继续冻结。由于受气流曳力等外力的作用,水膜还可能吹离或甩脱。因此积冰过程中相变与其表面的薄水膜流动紧密耦合,积冰模拟精度受到积冰过程中薄水膜流动模拟精度的直接影响。目前积冰问题研究中很少有考虑到水膜流动与水膜吹离/甩脱现象,现有的水膜流动-积冰模型中认为水膜超过10-4m会被吹走,该基于固定值吹离判据的处理方法较为简单,且与实际物理过程偏差较大。本文的主要工作是在现有的水膜流动-积冰模型的基础上,对积冰过程中的薄水膜流动进行分析,建立薄水膜吹离/甩脱的数学模型,完善水膜流动-积冰模型,并对翼型和旋转整流罩表面的积冰进行数值研究。本文基于冰层表面薄水膜的功平衡分析,建立角状冰表面水膜吹离的数学模型,发展了相应的计算方法,并将其补充到水膜流动-积冰模型的程序中。静止圆柱的积冰模拟结果比基于固定值吹离判据得到的冰形更接近实验结果,验证了该模型的合理性。之后对NACA0012翼型进行积冰模拟,分析了水膜吹离对冰形的影响,结果表明随着积冰时间的积累,翼型的冰角越来越突出,角状冰附近的回流现象也越来越明显,水膜堆积持续发生,水膜吹离的比例逐渐增大,冰角区域与基于固定值吹离判据得到的冰形相比有明显缩小。同样基于功平衡分析的方法,建立了旋转部件表面水膜甩脱的数学模型,发展了相应的计算方法,进一步完善了水膜流动-积冰模型的程序,利用旋转整流罩积冰模拟的冰形结果与实验对比验证了该模型。之后分别对不同转速与不同来流速度条件下旋转整流罩表面的积冰进行数值模拟,结果表明:在其它条件保持一致的前提下,转速越大,水膜甩脱的比例越大;转速越大,水撞击极限越小,积冰范围越小。在其它条件保持一致的前提下,来流速度越大,水膜甩脱的比例越大;来流速度越小,水撞击极限越小,积冰范围越小。本文建立的冰层表面水膜吹离/甩脱模型可以提高积冰过程中薄水膜的模拟精度和积冰模拟精度,为飞机防/除冰系统的设计提供更好的技术手段。
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