关于飞机结冰的水滴撞击特性计算与结冰相似准则研究

论文摘要

结冰是可能导致飞机发生严重事故的原因之一。云层中处于或远低于冰点但仍为液态的过冷水滴,当它们与飞行过程中的飞机发生碰撞时,就容易发生结冰现象。开展飞机结冰研究,可以使人们认识结冰产生的机理,把握结冰危害飞行安全的规律,为飞机防/除冰装置的设计、结冰条件下飞行和操作规范的制定提供依据。本文分别通过理论分析、数值计算和风洞试验的研究手段对结冰现象进行了研究,并阐述了有关结冰相似准则方面的研究。本文描述和分析了飞机飞行中的结冰现象及其对飞机飞行的影响与危害,探讨了结冰机理,介绍了云层中存在的过冷水滴的状态与特性,以及过冷水滴撞击飞机表面时的冻结过程。讨论了影响结冰数量和外形的因素,并介绍了结冰研究的主要手段。利用CFD软件CFD-ACE计算二维圆柱和NACA0012翼型的绕流流场。介绍了水滴撞击特性的定义,利用拉格朗日法建立水滴运动方程,编写了计算程序,得到水滴的运动轨迹及水滴与物体表面的碰撞点,从而求得物体表面的局部收集系数等水滴撞击特性。详细阐述了结冰相似准则以及为完善相似准则仍需进一步开展的研究。对结冰相似条件的几何相似、流场相似、水滴运动轨迹及撞击特性相似、热力学特性相似和表面液态水的动力学相似要求进行了方程推导和分析,并通过数值计算对相似准则进行了验证。开展了二维圆柱结冰风洞试验,对结果进行比较和分析,得出了风速和温度对结冰数量和外形的影响,指出试验中存在的问题和试验设备的局限性,并对未来结冰风洞试验技术的完善提出了建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 结冰概述
• 1.1.2 易发生结冰的区域
• 1.1.3 结冰对飞行器的影响和危害
• 1.1.4 与结冰有关的事故
• 1.2 国内外进展简介
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 结冰的基础理论分析
• 2.1 云的组成
• 2.2 过冷水滴
• 2.3 过冷水滴在飞机上冻结的原因
• 2.4 过冷水滴在飞机上的冻结过程
• 2.5 结冰分类及其形成过程
• 2.6 决定结冰形状的主要因素
• 2.7 结冰研究的方法
• 2.8 结冰研究的试验手段和方法分析
• 第三章 水滴运动轨迹及撞击特性数值计算
• 引言
• 3.1 过冷水滴在撞击前的运动描述
• 3.2 过冷水滴运动与撞击特性
• 3.3 流场计算
• 3.3.1 CFD-ACE 软件简介
• 3.3.2 CFD-ACE 功能特点
• 3.3.3 数据格式支持
• 3.3.4 用CFD-ACE 计算的绕流流场结果
• 3.4 水滴运动轨迹及撞击特性计算
• 3.4.1 水滴运动轨迹与撞击特性的计算方法
• 3.4.2 水滴运动轨迹方程
• 3.4.3 水滴撞击特性的求解
• 3.4.4 单尺寸水滴撞击特性研究
• 3.4.5 水滴直径对撞击特性的影响
• 3.4.6 霜冰结冰条件的冰形计算
• 3.5 小结
• 第四章 结冰相似准则研究
• 4.1 结冰缩尺
• 4.1.1 结冰缩尺的模式
• 4.1.2 结冰缩尺的必要条件
• 4.2 结冰相似参数分析
• 4.2.1 几何相似
• 4.2.2 绕流流场相似
• 4.2.3 水滴轨迹及撞击特性相似
• 4.2.4 撞击水质量相似
• 4.2.5 热力学特性相似
• 4.2.6 表面液态水的动力学相似
• 4.2.7 相似方程
• 4.3 相似准则分析
• 4.4 结冰相似准则的数值计算验证
• 第五章 二维圆柱和翼型结冰风洞试验
• 引言
• 5.1 试验设备与模型
• 5.2 仪器和设备
• 5.3 试验内容及方法
• 5.3.1 试验内容
• 5.3.2 试验方法
• 5.4 试验数据处理及结果分析
• 5.5 结冰风洞试验技术的完善建议
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历