复合材料表面超疏水-电热防除冰实验研究

针对无人机复合材料蒙皮表面结冰问题,设计了一种超疏水-电加热膜-复合材料一体化结构,结合超疏水制备技术与嵌入式电加热膜一体化成形工艺制备多层复合结构。其中,环氧树脂基的超疏水涂层具有优异的疏水性能,水滴延迟结冰时间增加18倍,提高防冰效果;加热膜与复合材料的一体化结构,增强热传导方向,提高电热转化效率,从而提升除冰效果。通过自主搭建试验台,对超疏水-电加热膜-复合材料一体化构型进行防除冰实验。实验结果表明,超疏水-电加热膜-复合材料一体化方法在达到防除冰效果的同时,除冰节能35%左右,具有高效防除冰和降低能耗的可行性。

飞机气动除冰系统试验研究

气动除冰技术具有能耗低、可靠性高的优点,广泛应用于小型商用飞机以及通用航空飞机。研究不同参数对气动除冰效果的影响,是飞机气动除冰系统设计和优化的基础。本文通过对气囊膨胀高度的研究,发现充气时间3 s、充气气压0.2 MPa是实现气囊最佳膨胀高度的条件。在此基础上,先后在地面冷环境以及结冰风洞中建立气动除冰系统试验平台,开展了不同参数对气动除冰效果的试验研究。试验结果表明,充气时间、充气气压、气囊宽度及结冰温度对除冰率均有一定程度的影响。并且,要想实现最好的气动除冰效果,靠近前缘驻点的气囊需达到一定宽度。此外,相较于霜冰,明冰的除冰效果更佳。

电加热防/除冰过程中溢流水再冻结数值模拟

当飞机飞行过程中遇到结冰工况时,为保证飞机的飞行安全以及气动性能,常使用热防护方法作为飞机防除冰的重要手段。本文通过使用共轭耦合方法建立了机翼内部多层导热与水膜流动的耦合计算模型,并针对电加热防除冰过程进行了一系列数值模拟计算。研究选取了可进行非稳态计算的Myers水膜模型,电加热组件导热模型则采用有限体积法隐式离散进行计算,水膜模型与导热模型通过交换边界值的共轭传热方法实现松耦合。研究发现在电加热防除冰过程中,由于积冰融化和水膜流动会产生溢流水再冻结现象。对电加热系统开启后期的积冰外形进行了流场计算与气动分析,发现机翼上下翼面溢流水冻结部位会对流场产生扰动。通过Q准则判断积冰后侧产生了涡结构,对比未发生结冰的干净翼型,机翼前缘位置溢流水冻结导致压力系数曲线发生较大震荡,因此溢流水再冻结问题影响了机翼的气动性能,未能使电加热防除冰系统达到理想的防护效果。

除冰气囊以及简化模型对气动特性影响研究

除冰气囊作为涡桨类飞机常用的除冰系统,评估其对全机气动特性的影响对飞行性能与安全有重要意义。基于某飞机上安装的气囊除冰系统,采用CFD方法模拟其工作时的全机气动特性,研究气囊简化模型对计算结果的影响。结果表明:随气囊膨胀高度增加,对全机气动特性影响显著,失速迎角提前约10°,最大升力系数损失近60%,最大升阻比降低约2.9;受膨胀气囊外形影响,机翼前缘呈展向流动特征,后缘流动分离区域长度与除冰气囊的安装长度相当;机翼前缘压力分布受膨胀气囊外形的影响出现震荡,从而影响整个翼面的压力分布;随简化气囊膨胀高度增加,失速迎角最大提前约1°,最大升力系数损失约21%,最大升阻比降低约2.2。

某航空发动机短舱防冰腔流动与换热仿真

本文以发动机唇口的热气防冰为研究对象,建立了三维模型,通过对不同引气速度、引气温度下防冰腔内流动及传热的计算,定量分析了上述参数对防冰有效性的影响。通过研究发现,引气速度从10 m/s增加至40 m/s,防冰表面最低温度由266.4 K升至286.2 K;而当引气温度从100℃增加到130℃时,防冰表面最低温度则由286.2 K升至307.1 K。因此当引气速度不低于15 m/s、来流温度不低于380 K时,可以实现短舱唇口的有效防冰。

非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟

为了在自然结冰飞行前预估飞机防冰系统的性能,减少飞行风险,开展了非结冰气象条件下飞机机翼热气防冰系统的数值模拟研究。数值模拟采用了计算流体力学方法;外部对流传热系数的计算采用附面层积分方法。机翼热气防冰系统表面温度的计算是将蒙皮外部散热热流、内部热气加热热流以及蒙皮导热三者进行热耦合,并进行了改进,改进的方法不要求防冰腔内、外两套网格在重合面网格处一致,是通过双向线性插值将一方面网格信息插值传递到另一方表面网格上,提高了计算效率。

旋转帽罩结冰相似准则的研究

为了研究航空发动机旋转帽罩结冰相似理论,在静止部件结冰相似准则的基础上,忽略次要因素的影响,建立了一种适用于旋转帽罩的结冰试验相似准则。利用建立的旋转结冰相似准则,通过数值模拟方法,对旋转帽罩缩比前后的水滴收集特性和结冰冰形进行了误差分析,并对此准则的可靠性进行评估。计算结果表明:用建立的相似准则所确定的参数对于全尺寸旋转帽罩转速分别为1kr/min和5kr/min时进行数值模拟。在全尺寸旋转帽罩及其1/2缩比模型上的对应区域得到的水滴收集特性和结冰冰形,误差约为2.7%和5.3%,表明选取缩比参数的方法是可靠的,并且提出的相似准则是有效的,对结冰风洞试验的理论研究和参数选取有一定的参考价值。

热气防冰腔结构参数对其热性能影响研究

采用数值模拟方法,开展了热气防冰系统结构参数对其热性能影响的研究。首先建立了不同管壁距、喷孔排数、喷口喷射角度的防冰腔结构,运用计算流体力学方法对其内部热气流动与换热进行了模拟,得到了防冰腔热效率以及热气喷射蒙皮内表面的对流传热系数的分布。结果表明:管壁距在4mm至36mm范围内增大,将降低防冰腔的热效率,并且弱化射流正对冲击表面传热性能;流量一致时,喷孔排数由3排减至2排,提高了防冰腔热效率;3排喷孔射流角度朝上表面方向旋转15°,将会提升防冰腔热效率,表明曲面曲率影响射流表面传热性能。

飞机机翼表面霜状冰结冰过程的数值模拟

提出了一种处理结冰后结冰表面固壁区域移动的移动边界技术,结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,对霜状冰的结冰过程进行了数值模拟,得到了NACA0012机翼在0°和4°攻角下机翼表面结冰后形成的冰形,与文献中的实验数据对比,表明本文的方法是可行和有效的。

过冷大水滴结冰探测技术研究进展

过冷大水滴结冰是飞机结冰防护领域出现的新问题和新挑战,大水滴结冰探测是保障飞机飞行安全的关键技术,制约飞机结冰防护系统的整体发展。论文搜集和整理了相关科技文献,从结冰机理和探测原理角度分析了结冰探测技术所面临的新挑战和机遇,通过对最新适航规范的分析,总结了大水滴结冰探测技术的新要求。按技术成熟度为主线对过冷大水滴结冰探测技术进行了详细介绍和全面总结,并首次提出探头型结冰探测器的水滴轨迹检测和溢流特性检测分类方法。

基于CFD的水收集系数及防冰表面温度预测

利用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynam ics)软件FLUENT,对二维机翼在结冰气象条件下飞行时的水收集系数,以及防冰系统工作并达到稳定后的防冰表面温度进行了计算.水收集系数计算采用FLUENT中的欧拉两相流模型以及用户自定义函数.特定飞行条件及热气防冰系统结构下的防冰表面平衡温度分布预测采用防冰腔内外热流耦合的方法.所得结果和理论分析一致,表明了利用FLUENT可以有效的进行防冰研究,包括水收集系数及防冰表面温度的预测,为今后进一步研究设计热气或电热防冰系统打下基础.

兰姆波飞机结冰传感器的最佳工作模态研究

首先建立了兰姆波在覆盖冰层的无限大各向同性板中传播的波速方程。通过数值计算获得了在覆盖不同冰层厚度下薄板中兰姆波的色散曲线。接着绘制了在给定检测频率下兰姆波波速随厚度变化的关系曲线图,进一步提出了兰姆波飞机结冰检测过程中最佳模态的选取方法。研究结果表明冰层厚度与兰姆波波速之间存在对应关系,可以通过判断各阶模态的耦合情况来选取最佳检测模态。

热气防冰系统中短小销钉强化传热数值模拟

热气防冰是目前飞机常用的防冰技术之一,为了提高热气防冰系统的防冰效率,提出使用短小销钉绕流强化传热的方式.利用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的方法研究了不同结构阵列销钉绕流对双蒙皮防冰通道的强化传热效果和流动阻力的影响,主要包括:销钉高径比、销钉阵列型式以及槽道高度.研究结果表明:加入销钉特别是叉排销钉能够强化传热,但也会引起流动阻力的增大;槽道高度小于1mm时,传热效果的提高不明显,无需销钉来提高传热.研究结果为热气防冰系统双蒙皮通道的设计提供了一定的理论指导.

一种飞机结构结冰监测及自适应除冰的模拟试验

利用小波分析对飞机复合材料结构表面结冰的出现及程度进行诊断 ,并在诊断的基础上 ,提出利用埋入的形状记忆合金进行除冰 ,将飞机防冰工作由被动变为主动的设想。该方法如果能够实现 ,将节省能源 。

翼型曲面的压电振动除冰方法研究

以缩比后的翼型前缘曲面为研究对象,对压电振动除冰的方法进行了理论和实验研究。针对翼型曲面的特殊性,以有限元模型导出的翼型截面离散点为基础,设计了针对翼型曲面和不同压电元件尺寸下的压电元件可贴区域的求解算法,并通过五点共圆法和四点共圆法的理论思想得出翼型曲面各点切法向矢量的求解算法。针对翼型曲面研究了压电元件的布局规律。结果表明,翼型曲面结构下,压电元件的激励效果随着间距的增大而减弱,压电元件布置在振型波峰位置附近有最佳的激励效果。在粘贴接触面积一定的前提下,激励效果随着相对贴片数量的增加而减弱,而压电元件的贴片集中度越高,激励效果越好。实验得到了较好的除冰效果,验证了布局方式的可行性,同时除冰功率最大为69.77W·m^(-2),低于电热除冰系统所需功耗。

结冰模拟与AEDC方法有效性的验证

介绍了AEDC(Arnold Engineering Development Center)结冰缩比方法,并对其有效性问题,用数值仿真方法进行了验证.利用结冰仿真计算软件对NACA0012翼型及其1/2和1/3缩比模型、圆柱及其1/2缩比模型进行了结冰数值模拟,内容涉及流场、水滴撞击特性和冰生长计算等.缩比部件的结冰条件由AEDC方法确定.结果表明,翼型、圆柱与其缩比模型的结冰过程具有较好的相似性.说明AEDC方法科学合理,其确定的结冰缩比试验参数有效,同时也说明结冰模拟技术可用于结冰缩比相似性研究.

热气防冰系统内表面弦向传热性能衰减规律

利用反向热流法实验研究了弦向3排射流喷口,且中央喷口正对前缘驻点结构下射流冲击热气防冰系统前缘内表面的局部传热特性。重点研究了喷孔射流出口雷诺数Rej、笛形管相对于前缘的距离与孔径比Zn/d、射流冲击驻点区弦向弧长与孔径比r/d对冲击前缘靶面的局部传热性能分布的影响。实验中Rej范围为2.5×104～1×105,Zn/d范围为1.736～27.5,r/d范围为13.21～61.5。结果表明,局部传热性能分布曲线为从驻点开始向两侧衰减的钟形曲线,包括稳定段、下降段和结束段3部分,其中稳定段只受参数r/d的影响,而参数Rej、Zn/d和r/d均能够明显影响下降段的下降速率,参数r/d则几乎不会改变下降段的总下降幅度。总结了此类喷口结构下射流冲击前缘换热性能衰减分布曲线的通用实验关联式,以指导防冰系统的设计和热性能的评估。

发动机进气帽罩防冰热载荷的数值模拟研究

对某发动机进气帽罩防冰热载荷的计算方法进行研究。利用FLUENT软件对帽罩周围的流场进行模拟,同时采用FLUENT中的离散相模型计算帽罩周围的水滴运动轨迹,得到帽罩表面的水滴撞击效率;利用数值计算结果及流动换热经验关系式分析帽罩表面的各项热流,获得该发动机帽罩的防冰热载荷。计算中还比较了不同湍流模型对防冰热载荷的影响。

电脉冲除冰系统除冰激励的仿真研究

建立了电脉冲除冰实验系统的二维电磁涡流场分析模型,提出了数值计算后处理求解试验蒙皮表面除冰激励分布的方法,并利用有限元动力分析方法建立了试验蒙皮的三维动力分析模型,通过在模型上加载后处理所得的表面瞬态压力,仿真获得了试验蒙皮的响应加速度,最后引入加速度实验用以验证模拟值。结果表明,基于二维电磁涡流场数值计算后处理求解除冰激励与有限元动力分析试验蒙皮的方法,所得的加速度与实验测量值吻合较好,因此说明了所述方法的正确性,可为电脉冲除冰系统的冰层破坏分析奠定基础。

防除冰电加热组件胶粘缺陷分析和更换技术

复合材料桨叶防除冰电加热组件为薄壁多层粘接结构。分析了激光散斑和超声成像检测技术在电加热组件内部胶粘缺陷检测中的能力,并设计出相应的检查工装或设备;创新设计了一套专用的防除冰电加热组件更换修理方法,用包铁剥离专用工具夹持包铁并利用杠杆原理对包铁进行剥离;建立电加热组件更换修理的流程标准体系,编制了专用的电加热组件更换工艺指导文件,巩固电加热组件更换修理质量。