Roe格式在水滴欧拉方程数值求解中的应用

目前普遍采用欧拉法求解水滴运动控制方程以模拟结冰表面水滴撞击特性。水滴欧拉方程近似没有压力项的空气欧拉方程,但已应用于空气欧拉方程的空间离散格式多数不能直接应用于水滴欧拉方程,有研究者将经典Roe格式应用于水滴欧拉方程时出现了奇点问题。通过对水滴欧拉方程进行形式改造,基于中心格式验证改造方法的有效性,并应用Roe格式结合线性重构与限制器函数实现对水滴欧拉方程二阶精度的求解。将NACA23012翼型计算结果与FENSAP ICE软件进行对比,两者水滴收集系数分布基本一致。

迎风格式在水滴欧拉方程数值求解中的应用

数值模拟是研究飞机结冰的重要手段,为获取水滴撞击特性,通常采用欧拉法求解水滴运动方程。液态水含量在空间分布上存在间断,会导致水滴欧拉方程的求解极易发散;若采用一阶格式,虽然稳定性得到提高,但计算精度难以保证满足工程设计需求;有研究者通过添加扩散项以提升收敛性,但会人为增加数值耗散。针对这一问题,本文采用一阶迎风格式对水滴欧拉方程的对流通量进行离散,并通过线性重构与限制器函数保证计算精度达到二阶,建立一种基于迎风离散格式的水滴欧拉方程二阶求解方法。通过对比NACA0012、NACA23012和NLF0414翼型水滴撞击特性计算结果与FENSAP-ICE软件的结果,验证了该方法的有效性与计算精度。

基于Messinger扩展模型蒸发对结冰溢流特性的影响研究

传统Messinger扩展模型将蒸发简化为壁面温度的线性函数,以便推导冰层和水膜温度微分方程的原函数。但结冰过程中蒸发与壁面温度并非线性关系,若引入蒸发非线性计算式,冰层和水膜温度微分方程将无法推导出原函数。而且有研究者在应用Messinger扩展模型时忽略了蒸发对结冰的影响,在某些状态下可能造成较大误差。针对以上问题,本文对Messinger扩展模型做出改进。将冰层和水膜温度假设为带未知系数的线性方程,建立未知系数的隐示表达式,采用牛顿迭代对未知系数进行求解,以数值迭代代替方程推导。基于NACA0012翼型,对忽略蒸发以及采用不同蒸发计算式对结冰外形的影响进行了分析。通过计算不同环境温度下的结冰外形,并与FENSAP-ICE软件和试验冰形进行对比,验证了该改进方法的有效性。

基于民用航空规章的结冰气象条件探测数据分析方法

我国极度缺乏结冰气象条件中的云层数据,我国民用航空规章第25部附录C结冰条件只能复制于美国航空规章,对飞行探测得到的结冰云层数据进行附录C符合性分析的方法也少有研究。附录C结冰条件形成于20世纪40年代末,当时的探测手段与如今采用先进探测仪器所获取的数据形式有很大差异,因此首先明确附录C结冰条件参数的具体定义,根据当前探测仪器测量数据的高分辨率特性,对数据处理与分析方法进行研究。最后基于该方法对安庆结冰气象探测数据进行了分析,从分析结果看,该方法能够清晰呈现所探测结冰云层的结冰条件基本特征及其与附录C的符合性程度。

发动机进气流量对前缘水滴撞击特性的影响

为了掌握发动机进气流量对水滴撞击特性的影响规律,采用欧拉方法建立水滴运动方程,基于分区多块结构网格体系求解水滴运动轨迹,提出了复杂外形飞机水滴撞击特性的计算方法.基于该方法对发动机进气道唇口进行水滴撞击特性分析,研究了不同发动机进气流量对进气道唇口水滴撞击特性的影响.结果表明,发动机进气流量越大,水滴收集系数最大值越大.因此,航空发动机吊舱进气道前缘的防除冰系统设计必须考虑不同飞行状态下进气流量的影响.

飞机结冰中水滴撞击特性欧拉法的网格影响分析

过冷水滴撞击特性计算研究是飞机结冰预测与防除冰系统性能分析的基础,欧拉法是过冷水滴运动及撞击特性计算的常用方法之一,分析欧拉法在计算复杂表面水滴运动撞击时的准确性具有重要意义。以NACA 0012翼型、冰风洞风道、S形进气道及三段翼为研究对象,利用欧拉法采用不同网格计算获得了水滴运动及局部水收集系数,结果表明:当水滴运动没有受到上游部件的导流或者遮挡时,欧拉法计算结果具有网格无关性;当水滴运动受到上游部件影响发生轨迹偏转时,欧拉法计算结果具有网格相关性,不同网格计算得到的液态水含量及局部水收集系数不一致,需要进一步考虑水滴运动受到上游效应影响时网格对欧拉法计算结果的影响。

临界冰形确定方法及其对气动特性影响研究

临界冰形是指在适航规章结冰包线内,每个可用飞行构型下,对飞机操纵性和稳定性影响最严重的冰形,临界冰形分析是飞机适航取证中的重要工作。对临界冰形确定方法,及临界冰形对气动特性的影响进行了研究。发展了基于CFD方法计算临界冰形的一般方法,包括临界冰形分析状态、敏感性分析截面确定、结冰参数敏感性分析、临界结冰条件确定、临界冰形确定等。流场计算采用中航工业空气动力研究院气动力计算平台(UNSMB),基于Jameson中心格式的有限体积法求解N-S方程;水滴撞击特性计算采用Eulerian方法求解水滴轨迹运动方程;结冰计算采用经典的Messinger热力学模型。选取CRM飞机为研究对象,以机翼外翼50%展长处为敏感性分析截面,在典型飞行条件下,分析了结冰对环境温度、水滴直径、飞行速度、飞行迎角等参数的敏感性。利用'几何外形敏感性分析方法',即通过对比冰形的上下冰角角度和冰角厚度等冰形几何参数来确定最严重冰形,得到了CRM飞机的临界结冰条件和临界冰形,其中敏感性分析截面在水滴直径为30μm时上冰角厚度和下冰角厚度最大,冰角最大厚度约41mm。计算了结冰后的气动性能衰减规律,临界冰形对飞机气动性能影响严重,导致升力降低6.7%~23.8%,阻力增加17%~70.9%。发展了45min待机临界冰形确定方法,基于几何外形敏感性分析方法进行环境温度、水滴直径、飞行条件等各类参数的结冰敏感性分析,得到飞机的临界结冰条件和临界冰形,对于民用飞机设计和适航取证具有一定的工程应用价值。