飞行防冰与结冰中的流动传热计算方法研究
发布时间：2022-08-23 17:50
结冰现象对于飞行安全来说是一个重大的威胁。当飞机在结冰气象条件下飞行时,如不采取适当的防冰措施,飞机迎风部件表面就会发生结冰。近年来,由于结冰引发的飞行安全事故仍在国内外多次发生,因此飞行结冰和防冰依然是国内外学者广泛关注的一个热点问题。作为飞行结冰和防冰问题的重要研究手段,数值模拟技术在近年来的结冰和防冰研究中得到了十分广泛的应用和发展。本文针对目前国内外在防冰计算领域的研究现状及其发展特点和趋势,以商业CFD软件ANSYS Fluent作为开发平台,围绕防冰和结冰模拟的通用计算方法开展了如下研究工作:首先,本文基于ANSYS Fluent软件的二次开发功能,对水滴撞击特性的计算方法进行了详细研究,成功地在ANSYS Fluent软件中实现了水滴撞击特性的拉格朗日法和欧拉法计算。对于前者,本文基于Fluent软件的离散相模型获得了水滴的运动轨迹,并采用自己发展的粒子统计方法实现了复杂三维表面局部水收集系数的拉格朗日法计算。对于后者,本文采用Fluent软件的用户自定义标量方程对水滴相运动的控制方程进行了求解,从而可以在Fluent软件支持的任何坐标系及边界条件下获得部件表面的局部水收...
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 绪论
1.1 背景及意义
1.2 飞行结冰机理及防除冰方法简介
1.2.1 飞行结冰产生的原因
1.2.2 影响飞行结冰的主要因素
1.2.3 结冰的分类与危害
1.2.4 主要防/除冰系统简介
1.3 防冰研究的技术手段
1.3.1 试验研究技术
1.3.2 数值模拟技术
1.4 国内外防冰研究进展
1.4.1 试验研究进展
1.4.2 数值研究进展
1.5 本文研究的主要内容
第二章 水滴撞击特性的数值计算方法研究
2.1 引言
2.2 水滴撞击特性的概念
2.3 水滴撞击特性计算的基本假设
2.4 拉格朗日法
2.4.1 水滴运动方程及其实现
2.4.2 局部水收集系数计算
2.5 欧拉法
2.5.1 水滴相运动的控制方程
2.5.2 水滴相方程的边界条件
2.5.3 数值扩散
2.6 水滴撞击特性的计算过程
2.7 算例验证
2.7.1 算例介绍
2.7.2 计算结果
2.8 本章小结
第三章 水滴撞击特性计算方法的拓展研究
3.1 引言
3.2 SLD条件下的水滴撞击特性计算
3.2.1 大水滴运动中的变形、破碎及阻力模型
3.2.2 大水滴撞击壁面后的反弹/飞溅模型
3.2.3 SLD条件下的水滴撞击特性算例验证
3.3 旋成体部件的水滴撞击特性计算
3.3.1 二维轴对称坐标系下拉格朗日法的初始水滴位置分布
3.3.2 算例计算
3.4 提高欧拉法求解效率的探索性研究——拉格朗日-欧拉复合解法
3.4.1 拉格朗日-欧拉复合解法的主要思想和实施方法
3.4.2 光滑NACA0012 翼型的计算结果
3.4.3 带冰NACA23012 翼型的计算结果
3.5 本章小结
第四章 防冰部件表面流动换热的计算方法研究
4.1 引言
4.2 防冰表面流动换热的数学模型
4.2.1 Messinger模型
4.2.2 考虑水膜流动的计算模型
4.3 表面流动换热计算的实现方法
4.3.1 部件表面温度计算的实现方法及流程
4.3.2 部件表面水膜质量流量的确定方法
4.3.3 部件表面控制体上溢流水的流量分配方法
4.4 防冰试验及计算验证
4.4.1 试验设备
4.4.2 防冰试验件结构及表面温度的测量
4.4.3 试验条件
4.4.4 误差分析及抑制措施
4.4.5 试验过程
4.5 计算设置与结果分析
4.5.1 计算模型的处理与计算设置
4.5.2 热气防冰支板的计算结果
4.5.3 热气防冰帽罩的计算结果
4.6 本章小结
第五章 部件表面水膜流动形态的计算研究
5.1 引言
5.2 水膜破裂前的流动过程与膜厚计算
5.2.1 水膜流动的连续性方程
5.2.2 水膜流动的动量方程
5.2.3 水膜流动中的厚度计算
5.3 水膜破裂后的溪流形态计算
5.3.1 溪流形态参数的定义
5.3.2 破裂后溪流形态参数的计算
5.4 算例验证
5.4.1 算例介绍
5.4.2 翼型表面水膜厚度的计算结果
5.4.3 翼型表面溪流形态的计算结果
5.5 航空发动机进气防冰支板表面溪流形态的计算研究
5.5.1 支板表面溪流形态的计算条件
5.5.2 不同壁面温度下支板表面溪流形态的计算结果
5.5.3 不同来流水滴直径下支板表面溪流形态的计算结果
5.6 本章小结
第六章 部件表面结冰冰形的计算研究
6.1 引言
6.2 部件表面结冰冰形的预测方法
6.2.1 部件表面结冰过程的热力学模型及其求解方法
6.2.2 结冰后部件表面几何的更新方法
6.2.3 部件表面结冰预测的计算过程
6.3 算例验证
6.3.1 验证算例介绍
6.3.2 翼型表面结冰冰形的验证计算结果
6.4 航空发动机旋转帽罩表面结冰冰形的计算研究
6.4.1 结冰帽罩算例介绍
6.4.2 计算结果与分析
6.5 航空发动机风扇叶片表面结冰冰形的计算研究
6.5.1 结冰叶片算例介绍
6.5.2 计算结果与分析
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文工作回顾与总结
7.2 本文的主要创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间所取得的科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞机防冰——从传统到仿生的发展[J]. 王冠,张德远,陈华伟. 工业技术创新. 2014(02)
[2]旋转整流罩积冰生长与脱落过程的实验[J]. 王健,胡娅萍,吉洪湖,陈宁立,曹广州. 航空动力学报. 2014(06)
[3]基于欧拉法模拟旋转帽罩水滴撞击特性[J]. 吴孟龙,常士楠,冷梦尧,王超. 北京航空航天大学学报. 2014(09)
[4]大型风力机结冰过程水滴收集率三维计算[J]. 易贤,王开春,马洪林,朱国林. 空气动力学学报. 2013(06)
[5]航空发动机支板热滑油防冰性能试验[J]. 董威,朱剑鋆,周志翔,董奇. 航空学报. 2014(07)
[6]飞机防冰系统设计中气象条件模拟及参数测量方法[J]. 郑莉,彭又新,卜雪琴,冯康. 科技导报. 2013(25)
[7]过冷大水滴飞溅特性数值分析[J]. 王超,常士楠,吴孟龙,靳军. 航空学报. 2014(04)
[8]电脉冲除冰系统的除冰实验与数值模拟[J]. 李清英,朱春玲,白天. 航空动力学报. 2012(02)
[9]三维机翼表面水滴撞击特性计算[J]. 孙志国,朱春玲. 计算物理. 2011(05)
[10]防冰部件表面流动换热与温度计算分析[J]. 朱剑鋆,董葳. 燃气涡轮试验与研究. 2011(01)
博士论文
[1]飞机结冰数值计算与冰风洞部件设计研究[D]. 孙志国.南京航空航天大学 2012
[2]飞机电热除冰过程的传热特性及其影响研究[D]. 肖春华.中国空气动力研究与发展中心 2010
[3]航空发动机进口部件积冰的数值模拟研究[D]. 胡娅萍.南京航空航天大学 2009
[4]飞机积冰的数值计算与积冰试验相似准则研究[D]. 易贤.中国空气动力研究与发展中心 2007
硕士论文
[1]考虑水膜效应的防冰表面流动换热研究[D]. 郑梅.上海交通大学 2015
[2]直升机发动机进气防护装置研究[D]. 付焱晶.东北大学 2011
[3]航空发动机进口支板及整流帽罩水滴撞击特性的计算分析[D]. 赵秋月.上海交通大学 2011
[4]结冰条件下过冷水滴撞击特性及热平衡分析[D]. 闵现花.上海交通大学 2010
本文编号：3678216
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 绪论
1.1 背景及意义
1.2 飞行结冰机理及防除冰方法简介
1.2.1 飞行结冰产生的原因
1.2.2 影响飞行结冰的主要因素
1.2.3 结冰的分类与危害
1.2.4 主要防/除冰系统简介
1.3 防冰研究的技术手段
1.3.1 试验研究技术
1.3.2 数值模拟技术
1.4 国内外防冰研究进展
1.4.1 试验研究进展
1.4.2 数值研究进展
1.5 本文研究的主要内容
第二章 水滴撞击特性的数值计算方法研究
2.1 引言
2.2 水滴撞击特性的概念
2.3 水滴撞击特性计算的基本假设
2.4 拉格朗日法
2.4.1 水滴运动方程及其实现
2.4.2 局部水收集系数计算
2.5 欧拉法
2.5.1 水滴相运动的控制方程
2.5.2 水滴相方程的边界条件
2.5.3 数值扩散
2.6 水滴撞击特性的计算过程
2.7 算例验证
2.7.1 算例介绍
2.7.2 计算结果
2.8 本章小结
第三章 水滴撞击特性计算方法的拓展研究
3.1 引言
3.2 SLD条件下的水滴撞击特性计算
3.2.1 大水滴运动中的变形、破碎及阻力模型
3.2.2 大水滴撞击壁面后的反弹/飞溅模型
3.2.3 SLD条件下的水滴撞击特性算例验证
3.3 旋成体部件的水滴撞击特性计算
3.3.1 二维轴对称坐标系下拉格朗日法的初始水滴位置分布
3.3.2 算例计算
3.4 提高欧拉法求解效率的探索性研究——拉格朗日-欧拉复合解法
3.4.1 拉格朗日-欧拉复合解法的主要思想和实施方法
3.4.2 光滑NACA0012 翼型的计算结果
3.4.3 带冰NACA23012 翼型的计算结果
3.5 本章小结
第四章 防冰部件表面流动换热的计算方法研究
4.1 引言
4.2 防冰表面流动换热的数学模型
4.2.1 Messinger模型
4.2.2 考虑水膜流动的计算模型
4.3 表面流动换热计算的实现方法
4.3.1 部件表面温度计算的实现方法及流程
4.3.2 部件表面水膜质量流量的确定方法
4.3.3 部件表面控制体上溢流水的流量分配方法
4.4 防冰试验及计算验证
4.4.1 试验设备
4.4.2 防冰试验件结构及表面温度的测量
4.4.3 试验条件
4.4.4 误差分析及抑制措施
4.4.5 试验过程
4.5 计算设置与结果分析
4.5.1 计算模型的处理与计算设置
4.5.2 热气防冰支板的计算结果
4.5.3 热气防冰帽罩的计算结果
4.6 本章小结
第五章 部件表面水膜流动形态的计算研究
5.1 引言
5.2 水膜破裂前的流动过程与膜厚计算
5.2.1 水膜流动的连续性方程
5.2.2 水膜流动的动量方程
5.2.3 水膜流动中的厚度计算
5.3 水膜破裂后的溪流形态计算
5.3.1 溪流形态参数的定义
5.3.2 破裂后溪流形态参数的计算
5.4 算例验证
5.4.1 算例介绍
5.4.2 翼型表面水膜厚度的计算结果
5.4.3 翼型表面溪流形态的计算结果
5.5 航空发动机进气防冰支板表面溪流形态的计算研究
5.5.1 支板表面溪流形态的计算条件
5.5.2 不同壁面温度下支板表面溪流形态的计算结果
5.5.3 不同来流水滴直径下支板表面溪流形态的计算结果
5.6 本章小结
第六章 部件表面结冰冰形的计算研究
6.1 引言
6.2 部件表面结冰冰形的预测方法
6.2.1 部件表面结冰过程的热力学模型及其求解方法
6.2.2 结冰后部件表面几何的更新方法
6.2.3 部件表面结冰预测的计算过程
6.3 算例验证
6.3.1 验证算例介绍
6.3.2 翼型表面结冰冰形的验证计算结果
6.4 航空发动机旋转帽罩表面结冰冰形的计算研究
6.4.1 结冰帽罩算例介绍
6.4.2 计算结果与分析
6.5 航空发动机风扇叶片表面结冰冰形的计算研究
6.5.1 结冰叶片算例介绍
6.5.2 计算结果与分析
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文工作回顾与总结
7.2 本文的主要创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间所取得的科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞机防冰——从传统到仿生的发展[J]. 王冠,张德远,陈华伟. 工业技术创新. 2014(02)
[2]旋转整流罩积冰生长与脱落过程的实验[J]. 王健,胡娅萍,吉洪湖,陈宁立,曹广州. 航空动力学报. 2014(06)
[3]基于欧拉法模拟旋转帽罩水滴撞击特性[J]. 吴孟龙,常士楠,冷梦尧,王超. 北京航空航天大学学报. 2014(09)
[4]大型风力机结冰过程水滴收集率三维计算[J]. 易贤,王开春,马洪林,朱国林. 空气动力学学报. 2013(06)
[5]航空发动机支板热滑油防冰性能试验[J]. 董威,朱剑鋆,周志翔,董奇. 航空学报. 2014(07)
[6]飞机防冰系统设计中气象条件模拟及参数测量方法[J]. 郑莉,彭又新,卜雪琴,冯康. 科技导报. 2013(25)
[7]过冷大水滴飞溅特性数值分析[J]. 王超,常士楠,吴孟龙,靳军. 航空学报. 2014(04)
[8]电脉冲除冰系统的除冰实验与数值模拟[J]. 李清英,朱春玲,白天. 航空动力学报. 2012(02)
[9]三维机翼表面水滴撞击特性计算[J]. 孙志国,朱春玲. 计算物理. 2011(05)
[10]防冰部件表面流动换热与温度计算分析[J]. 朱剑鋆,董葳. 燃气涡轮试验与研究. 2011(01)
博士论文
[1]飞机结冰数值计算与冰风洞部件设计研究[D]. 孙志国.南京航空航天大学 2012
[2]飞机电热除冰过程的传热特性及其影响研究[D]. 肖春华.中国空气动力研究与发展中心 2010
[3]航空发动机进口部件积冰的数值模拟研究[D]. 胡娅萍.南京航空航天大学 2009
[4]飞机积冰的数值计算与积冰试验相似准则研究[D]. 易贤.中国空气动力研究与发展中心 2007
硕士论文
[1]考虑水膜效应的防冰表面流动换热研究[D]. 郑梅.上海交通大学 2015
[2]直升机发动机进气防护装置研究[D]. 付焱晶.东北大学 2011
[3]航空发动机进口支板及整流帽罩水滴撞击特性的计算分析[D]. 赵秋月.上海交通大学 2011
[4]结冰条件下过冷水滴撞击特性及热平衡分析[D]. 闵现花.上海交通大学 2010
本文编号：3678216
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