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

论文摘要

飞机在积冰条件下飞行时,发动机的进气道、进气部件和动力装置均会发生积冰。发动机进气道以及进气部件积冰,是指进气道前缘、发动机压气机前的整流帽罩、支板以及第一级压气机前的导流叶片等部件的积冰。发动机结冰会使流路气动特性恶化,发动机质量增加和振动加大。为了准确预测积冰的位置以及积冰的形状和种类,需要知道流场中过冷水滴的运动轨迹及其与所研究表面的碰撞点,这就要求对水滴运动情况进行研究,从而确定所研究表面的水滴撞击特性。本文以发动机进气系统为研究对象,采用FLUENT商用软件,着重对发动机进气道的进口部分以及发动机整流帽罩流场进行数值模拟,利用水滴离散相的计算结果,通过FLUENT的用户自定义函数(UDF)进行二次开发,将UDF挂到FLUENT软件中进行后处理计算以实现局部水收集系数的计算。发动机进气道的进口支板通常作成翼型形式,所以发动机进气道前缘的防冰研究可近似按翼型来处理。基于以上对支板的处理,本文介绍了计算翼型空气流场的具体方法,以及拉格朗日法建立空气中过冷水滴的运动方程的具体步骤,并利用FLUENT软件中的离散相模型以及用户自定义函数,开发出了适用于计算二维翼型和三维平直翼型的水滴撞击特性的方法。二维翼型的计算结果表明:二维翼型的局部水收集系数与文献结果相吻合。通过对二维与三维翼型的计算结果的对比分析,可以认为本文的计算方法是可行的。其次,在前人非旋转部件水滴撞击特性计算方法的研究基础上,基于FLUENT,提出了发动机旋转帽罩水滴撞击特性的计算方法,并利用该方法对帽罩锥体不同锥角和转速下的水滴撞击特性进行了研究。研究结果表明:在同一转速下,随着帽罩锥体锥角的增大,其局部水收集系数沿着锥体外形线下降较快,且撞击区域变小;而在同一锥角下,随着锥体转速的增加,其表面局部水收集系数下降,且撞击区域变小。最后,文章对防冰系统的试验研究进行了介绍,重点介绍了冰风洞试验,以及进行冰风洞试验必须遵循的相似准则,并采用本文的数值计算方法对改进后的相似准则进行验证。计算结果表明:全尺寸翼型的局部水收集系数和缩放后的翼型的局部水收集系数吻合地很好,说明前面总结的相似准则是正确的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 结冰的物理机理
• 1.1.2 结冰的气象条件
• 1.1.3 结冰的分类及外形
• 1.2 飞机部件的结冰
• 1.2.1 机翼及尾翼结冰
• 1.2.2 进气道前缘及发动机进气部件结冰
• 1.2.3 其他部位结冰
• 1.3 结冰与防冰研究的主要方法
• 1.3.1 试验研究方法
• 1.3.2 数值计算研究方法
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 支板二维水滴撞击特性的数值计算
• 2.1 前言
• 2.2 部件表面水滴撞击特性的概念介绍
• 2.3 流场的计算方法
• 2.3.1 翼型的网格划分
• 2.3.2 流动计算的控制方程
• 2.3.3 湍流模型
• 2.3.4 流场的边界条件
• 2.3.5 流场的计算方法及结果
• 2.4 水滴运动轨迹的确定
• 2.4.1 水滴运动方程
• 2.4.2 水滴运动方程的数值解法
• 2.5 计算水滴撞击特性的方法
• 2.6 水滴撞击特性数值计算方法的验证
• 第三章 旋转整流帽罩水滴撞击特性的数值分析
• 3.1 前言
• 3.2 流场计算
• 3.2.1 网格的划分及边界条件
• 3.2.2 流体控制方程与湍流模型
• 3.2.3 流体控制方程求解方法
• 3.3 水滴运动方程的求解
• 3.4 水滴撞击特性计算的实现
• 3.5 水滴撞击特性的影响因素分析
• 第四章 支板三维水滴撞击特性的数值计算
• 4.1 前言
• 4.2 三维水滴撞击特性的计算
• 4.2.1 流场计算方法
• 4.2.2 水滴轨迹运动方程
• 4.2.3 局部水收集系数的算法思想
• 4.3 三维与二维水滴撞击特性的比较
• 第五章 防冰系统的实验研究
• 5.1 前言
• 5.2 冰风洞构型
• 5.3 冰风洞环境介质参数的测量方法
• 5.3.1 静压和总压的测量方法
• 5.3.2 温度测量方法
• 5.3.3 液态水含量测量方法
• 5.3.4 水滴尺寸测量方法
• 5.4 冰风洞试验的相似准则
• 5.4.1 几何相似
• 5.4.2 流场相似
• 5.4.3 水滴运动轨迹和撞击特性相似
• 5.4.4 翼型表面水的空气动力学相似
• 5.5 相似准则下计算的局部水收集系数
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文