飛機機翼結冰的數(shù)值模擬研究.pdf

1、飛機在穿越云層飛行時，云層中的過冷水滴撞擊到飛機表面，會發(fā)生結冰現(xiàn)象，飛機結冰對飛行安全造成很大的危害，因此飛機結冰的研究歷來受到世界各國的重視。飛機結冰是一個復雜的傳熱傳質現(xiàn)象，涉及到流體力學、傳熱學以及空氣動力學等多個領域，由于國內不具備冰風洞試驗條件，飛機防/除冰系統(tǒng)設計中往往依賴于工程估算，本文采用數(shù)值模擬對飛機結冰現(xiàn)象進行了研究，這可以一定程度上彌補試驗條件欠缺的不足，這方面的工作國內尚處于起步階段。 本文的研究工作

2、主要有以下幾個方面：1）簡述了飛機結冰現(xiàn)象及其主要研究方法，著重介紹了飛機結冰數(shù)值模擬研究的發(fā)展狀況；2）在對發(fā)生飛機結冰現(xiàn)象的飛行和氣象條件分析的基礎上，確定了采用基于壓力的方法求解N-S方程來計算結冰時的空氣流場，推導了貼體坐標系下同位網(wǎng)格上推廣到可壓縮流動的基于壓力的SIMPLE算法，對流項采用高階格式離散，為了更好的處理可壓縮流動，把一種同時具有有界性和TVD特性的高階格式推廣到非均分網(wǎng)格使用，離散時界面密度采用高階格式，提高了

3、基于壓力的方法捕捉間斷的能力。通過算例對比研究，選用了適用于飛機結冰研究的湍流模型。3）對建立水滴運動方程的Euler型方法進行了研究，在合理的假設和簡化的基礎上，建立了適用于飛機結冰研究的空氣/過冷水滴兩相流控制方程。根據(jù)飛機結冰氣象條件的特點，研究了方程的求解方法，提出了一種便捷穩(wěn)定的求解方法。本文利用所提出的方法和編制的程序，在光滑以及結冰表面算例考核的基礎上，研究了高階格式、可壓縮性、飛行和氣象條件對水滴撞擊特性的影響，對比了采

4、用水滴平均直徑和考慮水滴直徑方分布的撞擊特性的差異，并把計算結果與Lagrange方法的計算結果進行了對比。4）對結冰模型進行了研究。首先基于Messiger的思想建立了一種結冰模型，分析了模型的特點。同時針對該模型的缺點，進行了第二代結冰模型的研究，在分析國外早期試驗數(shù)據(jù)的基礎上，提出了一種分區(qū)的結冰模型，把結冰區(qū)域分為水膜結冰區(qū)和水珠結冰區(qū)，并對兩個區(qū)域分別建立了結冰模型。本文所建立的結冰模型同時考慮了冰層內部的導熱，可以進行防/除

5、冰系統(tǒng)工作時具有融化界面時的計算。5)進行了在飛機結冰模擬中嵌入粗糙度影響的方法的研究，提出了一種基于湍流模型的結冰粗糙表面換熱的處理方法，將文獻中由試驗數(shù)據(jù)到粗糙表面壁面率引入到兩層壁面函數(shù)中使用，對該方法飛機結冰粗糙表面換熱預測的能力進行了比較全面的考核對比，取得了滿意的結果，并與目前廣泛采用的邊界層積分法的結果進行了對比分析。6）對結冰后邊界的移動方法進行了改進，提出了一種基于基于多點數(shù)據(jù)平滑器和三次參數(shù)樣條插值的邊界移動和邊界重