飞机蒙皮温度场及局部结冰过程数值仿真

发布时间：2017-08-28 11:26

  本文关键词：飞机蒙皮温度场及局部结冰过程数值仿真

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【摘要】：随着高速飞机及红外特性的发展需求,飞机蒙皮表面温度场的计算越来越受到重视,通常的蒙皮表面温度场的计算往往仅考虑外部气动环境,这与实际蒙皮整体热环境不太相符,因此需要建立合理的热分析模型与计算方法对蒙皮的温度场及影响因素进行分析。此外,当飞机表面温度较低或者出现气动冷却时,在某些迎风表面处可能会产生结冰现象,进而危害飞行安全。因此在进行飞机整体热环境分析时,了解飞机蒙皮温度场的影响机制,也是飞机结冰预测的前提条件之一。本文针对大型飞机的热分析与防结冰技术的需求,通过将外部热环境视为第三类浮动的热边界条件,实现内、外热环境耦合,并建立了防冰条件下部件表面流动换热的计算模型,开展了结冰冰型的数值预测研究。通过热分析研究,对影响蒙皮温度场的机制特性进行分析,获得了太阳辐照、外部对流换热、内部热源大小及布置方式影响的量化数据;通过防结冰研究,对飞机机翼及发动机唇口的局部结冰现象进行了预测分析。基于此,本文围绕该背景主要完成了以下工作:通过对大型复杂飞机表面温度场耦合传热的机制分析,建立了结构与流场耦合换热的数理模型,将外部的气动对流换热视作浮动第三类热边界以实现流固耦合换热的间接解耦计算,基于CFX平台软件完成外部热环境计算,并结合Sinda/Fluint软件平台,采用热网络法联合蒙特卡洛法,开展不同复杂热边界条件外耦合系统结构间的耦合传热研究。最后以某型飞机为例通过数值模拟对该方法验证其可靠性与准确性,并在此基础上考察分析了影响内外耦合换热的各种综合因素,包括太阳辐照、内部热源功率及设备结构布置等对蒙皮表面温度场的影响。基于CFX的Continuous/Particle流体模型求解水滴的运动方程,跟踪水滴轨迹,编制程序提取相关轨迹信息,实现了水滴撞击特性的拉格朗日法计算。并基于上述方法对二维翼型的局部水滴收集系数进行算例验证,然后在此基础上完成对部件结冰的数值研究。由准稳态的热、质守恒关系建立了结冰部件表面的热力学模型,通过编制相关程序实现对提取的CFX流场结果进行后处理得到预测冰型,并对典型翼型算例进行可靠性验证。最后,根据上述方法完成对翼型和发动机唇口结冰冰型预测,并对其结冰特性进行分析,在此基础上进一步研究了不同来流温度、飞行马赫数、液态水含量对飞机表面局部结冰的影响。通过上述研究,为大型飞机的热分析与防结冰技术的性能评估提供了有价值的参考依据。
【关键词】：飞机 蒙皮温度场 耦合换热 热边界 结冰预测模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V321.229;V219
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题研究背景和意义11
• 1.2 飞机蒙皮温度场的国内外研究现状11-14
• 1.3 飞机结冰数值研究现状14-19
• 1.3.1 飞机结冰简介14-15
• 1.3.2 国外研究现状15-17
• 1.3.3 国内发展现状17-19
• 1.3.4 当前结冰研究中存在的问题19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第2章 数理模型及计算方法21-47
• 2.1 飞机蒙皮热状况的物理形成机制21
• 2.2 温度场分析的基本原理与算法21-23
• 2.3 蒙皮外部气动热分析的有限体积法23-27
• 2.3.1 外流场气动热的守恒方程及离散23-25
• 2.3.2 湍流对流模型25-27
• 2.4 内外耦合热分析的热网络法27-30
• 2.4.1 蒙皮耦合热网络方程的建立27-28
• 2.4.2 内外耦合换热的处理方法28-30
• 2.5 耦合热分析建模30-33
• 2.5.1 气动外形建模31
• 2.5.2 内部几何结构建模31-32
• 2.5.3 机身及内部热网络建模32-33
• 2.6 结冰预测数值模拟方法研究33
• 2.7 空气-过冷水滴流场的计算方法33-35
• 2.8 表面水滴撞击特性的计算方法的研究35-39
• 2.8.1 基本概念35-36
• 2.8.2 基于拉格朗日法建立的水滴运动方程36-38
• 2.8.3 局部水滴收集系数的计算方法38-39
• 2.9 部件表面结冰的热力学模型及求解方法39-46
• 2.9.1 结冰表面的热、质输运分析39-43
• 2.9.2 基于结冰预测的表面局部对流换热系数的计算43-44
• 2.9.3 结冰模型求解方法及分析44-46
• 2.10 本章小结46-47
• 第3章 蒙皮温度场分析47-66
• 3.1 蒙皮外部气动热计算47-52
• 3.1.1 外部气动网格划分及网格无关性验证47-49
• 3.1.2 边界条件与远场、物性选取49-52
• 3.2 耦合热分析边界计算结果52-60
• 3.2.1 蒙皮绝热温度分布52-55
• 3.2.2 气动对流换热系数的提取与影响因素分析55-57
• 3.2.3 太阳辐射对蒙皮温度场影响研究57-59
• 3.2.4 相关结论59-60
• 3.3 内外耦合表面温度场的计算60-62
• 3.4 内部热源功率对蒙皮表面温度场的影响62-63
• 3.5 热源结构布置对蒙皮表面温度场的影响63-65
• 3.6 本章小结65-66
• 第4章 部件表面结冰数值研究66-81
• 4.1 结冰数值计算方法的研究66-67
• 4.2 结冰模型及数值模拟方法的验证及分析67-73
• 4.2.1 局部水滴收集系数计算方法验证及影响因素分析67-70
• 4.2.2 结冰表面对流换热系数处理方法验证及分析70-71
• 4.2.3 冰型预测的验证71-73
• 4.3 机翼表面结冰的计算研究73-76
• 4.3.1 不同来流温度对机翼表面结冰的影响研究74-75
• 4.3.2 飞行马赫数对机翼表面结冰的影响研究75-76
• 4.3.3 液态含水量对机翼表面结冰的影响研究76
• 4.4 发动机唇口结冰的计算研究76-80
• 4.4.1 不同来流温度对唇口结冰冰型的影响研究78-79
• 4.4.2 飞行马赫数对唇口结冰冰型的影响研究79
• 4.4.3 液态水含量对唇口结冰冰型的影响研究79-80
• 4.5 本章小结80-81
• 结论81-82
• 参考文献82-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果87-89
• 致谢89

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本文编号：747837