旋转表面薄水膜流动与积冰预测方法及积冰试验研究

发布时间：2020-06-10 15:13

【摘要】：结冰气象条件下,撞击到飞行器迎风表面上的过冷水滴会发生积冰现象,这对飞行安全会造成非常严重的危害。发生积冰的部件既包括静止部件,如机翼、发动机唇口等,又包含旋转部件,如旋翼、旋转整流罩等。对于旋转表面的积冰,哥氏力和离心力会对旋转表面外部稀疏气液两相流以及表面上未凝结水形成的薄水膜的流动产生影响,这使得旋转表面的积冰在物理过程上不同于静止部件表面的积冰。在这样的背景条件下,本文基于静止部件外部稀疏气液两相流模型,发展了旋转坐标系下的气液两相流模型及水撞击计算方法;基于水膜流动的质量、动量、能量守恒原理,发展了旋转表面上薄水膜流动与积冰的数学模型;给出了数值模拟旋转表面积冰过程的计算方法,开发了用于旋转表面积冰数值模拟的软件;数值模拟研究了旋翼表面的积冰规律;采用冰风洞的试验方法研究了旋转整流罩表面的积冰现象。本文具体的研究工作分为:理论模型及计算方法研究,数值模拟研究和冰风洞试验研究。理论模型及计算方法研究:(1)发展了用于模拟旋转部件外部稀疏气液两相流的欧拉-欧拉法两相流模型,模型中考虑了离心力和哥氏力对空气和水滴运动的影响。给出了两种旋转坐标系下壁面局部水收集系数的计算方法(穿透边界法和第一层网格法)并对两种方法进行了分析和对比。(2)通过对旋转表面的未凝结水所形成的薄水膜进行质量守恒,动量守恒,能量守恒以及相变过程的分析,建立了贴体非正交曲线坐标系下旋转表面的薄水膜流动与积冰的数学模型,考虑了哥氏力和离心力对水膜流动的影响。同时给出了模型的求解方法和计算流程。(3)根据积冰计算流程,对两相流模型和所建立贴体曲线坐标系下的积冰模型采用模块化的管理,开发了适用于旋转表面薄水膜流动与积冰模拟的软件。采用文献中的试验结果对所开发软件模拟薄水膜流动和积冰的能力进行了验证,结果表明所开发软件能够较好的模拟旋转叶片这一类旋转部件表面的薄水膜流动与积冰的现象。冰风洞试验研究:在小尺寸冰风洞中研究了旋转整流罩表面的积冰现象。发展了以高速摄影仪为记录设备的试验数据处理方法以及误差分析方法。发现了旋转整流罩表面积冰冰形随着转速的增加从“不平整光滑明冰”,到“粒状冰”,再到“羽毛状冰”变化过程,揭示了整流罩表面未凝结的水膜在离心力的作用下产生的不稳定波动导致“粒状冰”和“羽毛状冰”的生成的机理。利用试验得到的结果对所开发的软件进行验证,结果表明软件能够能够比较好的模拟旋转整流罩表面的光滑的积冰(包括静止整流罩以及旋转整流罩驻点附近的积冰),但是当旋转整流罩表面出现“粒状冰”、“羽毛状冰”时,本文所开发的软件则不再适用。数值模拟研究:利用所开发的软件数值模拟研究了转速对螺旋桨表面(旋翼一类的旋转积冰部件)积冰的影响,揭示了转速对螺旋桨表面的积冰规律的影响。螺旋桨的转速可以通过旋转线速度和离心力来影响螺旋桨表面的薄水膜流动与积冰。转速越大螺旋桨表面相同截面上的旋转线速度越大,来流的水滴的惯性越大,截面上的水收集和水滴撞击范围越大,截面上的对流换热系数也越大,从而导致截面上冰形厚度有增加的趋势。然而转速越大,离心力也越大,离心力会驱使水膜沿着展向流动,使得表面水的量变少,从而使得截面上的冰形厚度有变小的趋势。但是离心力的影响比旋转线速度的影响小。
【图文】：

三相图,毛细压力,水滴直径,环水

飞行器在飞行过程中，其迎风表面会件是空气中存在温度低于冰点温度（环水滴往往尺寸较小，作用其表面上的表，根据杨-拉普拉斯定理，毛细压力大小1 21 1pR R ，大小为0.072 N /m，是物理常量，1 / 言 = = 。因此当水滴直径非常小而使得水滴的内部压力 = 远大力上升时，水的凝固温度降低。因此对的凝固点（273.15K），其仍可以保持液

积冰,部件,飞机

图 1.2 飞机常见积冰部件图 1.3 旋翼积冰图 1.4 发动机进口常见积冰部件除了飞行器表面，一些民用设施上也会发生类似的积冰现象，例如输电线表面[4][5][6]和风力涡轮表面[7]-[13]，，分别如图 1.5 和图 1.6 所示。同样这些积冰部件也可以按照运动形式不同分成静止积冰部件（输电线）和旋转积冰部件（风力涡轮）。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V321.229

【参考文献】