飛機機翼結(jié)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(jié)冰現(xiàn)象，飛機結(jié)冰對飛行安全造成很大的危害，因此飛機結(jié)冰的研究歷來受到世界各國的重視。飛機結(jié)冰是一個復雜的傳熱傳質(zhì)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(jié)冰現(xiàn)象及其主要研究方法，著重介紹了飛機結(jié)冰數(shù)值模擬研究的發(fā)展狀況；2）在對發(fā)生飛機結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)冰研究的空氣/過冷水滴兩相流控制方程。根據(jù)飛機結(jié)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(jié)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(jié)果與Lagrange方法的計算結(jié)果進行了對比。4）對結(jié)冰模型進行了研究。首先基于Messiger的思想建立了一種結(jié)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(jié)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(jié)冰模型，把結(jié)冰區(qū)域分為水膜結(jié)冰區(qū)和水珠結(jié)冰區(qū)，并對兩個區(qū)域分別建立了結(jié)冰模型。本文所建立的結(jié)冰模型同時考慮了冰層內(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果，并與目前廣泛采用的邊界層積分法的結(jié)果進行了對比分析。6）對結(jié)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