结冰模拟对运七飞机纵向气动特性的影响

本文首先简介了国内外结冰研究的简况。接着介绍了运七(Y-7)飞机全模结冰模拟试验的一般情况,给出了结冰模拟对运七飞机纵向气动特性影响的基本结果并进行了初步讨论,最后就此得出了几点结论。

结冰模拟对运七飞机横向特性及舵面效率的影响

继研究结冰模拟对Y-7飞机纵向特性影响之后,本文又介绍了结冰模拟对Y-7飞机横向特性及舵面效率的影响。在讨论其试验条件及结果之基础上得出的结论对结冰条件下的飞行具有重要意义。

风洞结冰模拟装置的研发

飞机在飞行中,遭遇过冷水滴等适合结冰条件的外界环境时,机体相关部位将会结冰,使得飞机的空气动力性能变坏,严重时危及飞行安全。另外,冬半年飞机停放在露天,也会出现结冰现象,需要在起飞前进行清理。因此,应该掌握飞机结冰的机理、环境因素及机体容易结冰的部位。本文介绍了一种利用风洞进行结冰模拟的装置,通过风洞的结冰模拟可以再现飞机结冰的真实情况,对于指导实践收到了较好的效果。

三维机翼结冰模拟

针对机翼结冰问题,利用欧拉法求解空气水滴两相流流场,通过Fluent软件用户自定义函数功能编程求解三维机翼表面水滴局部收集系数以及结冰情况。在计算中,将水溢流方向沿机翼弦向和展向分解,以此对Messinger结冰热力学模型进行改进,使之更符合三维情况,并在此基础上进行三维传质传热分析;修正传统的二维表面对流换热系数求解方法,得到求解三维表面对流换热系数的改进方法。采用沿壁面法向结冰的方式进行冰生长计算,通过与国外冰风洞试验结果及结冰计算软件LEWICE结果的比较,证明本文三维结冰计算方法是正确的。

基于两相流欧拉方法的翼型结冰数值模拟

文章通过计算流体力学的方法对翼型结冰进行了预测。针对拉格朗日法求解水滴收集特性计算工作量太大的缺点,引入水滴流场的概念,通过求解空气-水滴两相流场的欧拉方法,获得翼型表面水滴收集特性。结冰计算过程中网格采用变形网格技术得到,既保证了网格质量又减少了网格生成的工作量,采用有限体积法及LU-SGS隐式时间推进数值求解N-S及水滴运动方程。建立了对应于霜冰和光冰的冰增长模型。通过对NACA0012翼型霜冰和光冰的计算验证了该方法是有效的。

翼型表面结冰准定常数值模拟

对翼型表面的结冰过程进行了准定常数值模拟。在每个时间步长内完成网格随着壁面边界的移动而更新、周围流场和水滴撞击特性重新计算、冰形计算及壁面边界的重构工作,如此循环直至所需的结冰计算时间。采用拉格朗日轨迹追踪法获得水滴撞击特性,应用考虑壁面粗糙度影响的边界层积分法计算壁面的对流换热系数,在此基础上求解Messinger结冰热力学模型,冰层始终沿壁面外法线方向生长。对NACA0012翼型在不同环境下生成的三种典型冰形进行了预测,并与实验结果进行了比较,表明本文所述方法的有效性。

基于变形网格技术的翼型结冰数值模拟研究

翼型结冰的过程实质上是其外形随时间改变的过程。对于结冰的数值模拟,计算网格必须随着翼型外形的改变而相应的变化。文章利用非定常N-S方程模拟翼型结冰增长的过程,使用基于无限插值法(TFI)的变形网格技术生成非定常计算的网格。变形网格技术是在初始网格的基础上将物面的变化通过插值均匀分布到场内网格点,该方法能够最大限度地保留初始网格特征,而且生成过程与初始网格不相关。非定常计算利用上一次结冰的流场为初值,而不用从初场重新开始,而且变形网格技术生成网格也远远比求解椭圆型方程快,总的计算时间大幅减少。为了验证方法的有效性,文章对NACA0012进行了结冰数值模拟,计算结果与参考文献的实验和计算结果吻合。

翼型结冰过程数值模拟验算与分析

应用FENSAP-ICE结冰计算软件,对NACA0012翼型进行了流动特性、水滴撞击特性以及冰型生成过程的计算;同时,对结冰前后的翼型进行气动力特性计算对比分析,其中包括升力特性对比、阻力特性对比、流场细节分析以及压力系数分布对比。计算结果表明:翼型前缘结冰后,导致翼型前缘气流提前分离,最大升力系数、失速攻角大幅减小,阻力系数明显增加;冰型计算结果与文献中的实验冰型结果符合良好,满足工程应用要求。

结冰数值模拟中网格收敛性验证

对任何基于网格的数值模拟而言,获得网格收敛的解是结果可信的必要条件,结冰模拟也是如此。为充分、完整地考察目前普遍使用的结冰数值模拟算法的网格收敛性情况,详细定量地验证了其在霜冰、混合冰、明冰等诸多工况下的网格收敛情况。结果表明:当前普遍使用的算法基本上可以获得网格收敛的结果。其中霜冰的收敛规律较好,角状冰收敛的规律性不如霜冰情况。目前常用算法的可靠性基本上满足工程需求,但对于有角冰的情况,在实际应用中需要进行详细谨慎的网格收敛性验证。

开放式结冰条件模拟技术研究

在-1^-9℃的环境温度条件下,采用开放式结冰条件模拟技术可以为民机或军机发动机短舱防冰系统性能试验模拟出合适的结冰气象条件。采用气液两相喷嘴模拟水雾结冰环境时,所采用气体和液体的纯度是过冷水滴产生的先决条件,气液两相压差、风洞吹风速度和试验对象距离是影响结冰气象参数的关键因子。采用改造后的FM-100传感器可实现对结冰气象参数的实时测量。通过升降机构、小角度俯仰和万向轮等辅助结构设计,开放式结冰条件模拟系统可以满足不同试验对象的试验要求,可以适应不同风向的试验环境,具备非常广阔的推广应用前景。

人工模拟结冰飞行试验技术研究

介绍了国内外人工模拟结冰飞行试验技术概况,基于对FAA民机适航条例关于结冰条件运行的要求及咨询通告推荐的符合性方法的全面了解,分析了人工模拟结冰飞行试验技术在飞机设计与验证中的应用需求,总结了人工模拟结冰飞行试验体系构建需要解决的关键技术,结合运-8结冰喷水机的研制探讨了人工模拟结冰飞行试验的技术内涵。

带压缩性修正的离散涡方法在结冰数值模拟中的应用

离散涡方法(DVM)是一种无网格的涡运动算法,适用于解决易产生分离流的非定常问题,将其应用于结冰过程中的流场求解,在有效模拟分离流动的同时能避免冰形尖角对网格质量的影响。但离散涡方法基于不可压N-S方程,无法应用于预测可压缩流动下的结冰过程。本文在离散涡方法的基础上添加普朗特—格劳尔特压缩性修正,进行基于离散涡方法的可压缩流动下的数值模拟,并将其应用于翼型结冰预测;对流场分布、结冰冰形和结冰模型计算过程等仿真结果进行对比和分析。结果表明:引入压缩性修正后的离散涡方法能较好地模拟可压缩流动,与实验值相比,基于该方法得到的结冰数值模拟结果符合良好,对结冰数值模拟在工程上的应用提供了一定的参考。

气候环境实验室地面结冰云雾模拟控制系统设计

飞机结冰会引起飞机气动特性、动力系统性能改变,甚至造成飞行事故。地面结冰云雾模拟设施作为一种模拟飞机飞行结冰条件的重要设备,常用于飞机防除冰系统功能验证。针对气候环境实验室结冰云雾试验条件需要,在对地面结冰云雾模拟系统进行研究的基础上,对适用于气候环境实验室的结冰云雾模拟系统进行了设计。对系统关键设计技术、系统功能及组成进行了分析,并对控制系统方案进行了详细阐述。试验表明,控制系统人机界面友好,运行可靠,能够满足液态水含量、雾滴直径参数的精确调节,产生符合试验所需的结冰环境。

不同条件下乌梁素海污染物在冰-水体系中分布规律的模拟

为探讨单一因素(如浓度、温度、酸碱度)对冰封期乌梁素海中营养盐和盐分(总氮、总磷、Na+和Cl-)迁移的影响,对不同条件下各物质水样进行室内单向结冰模拟,分析总结物质在冰层和冰下水层中的分布特征,并用分配系数(K)来表征.结果表明:冰体中物质浓度随水样初始浓度(C0)的增大而增大,随结冰温度的升高而减小;各物质在冰体中的浓度分布表现为顶层<中层<底层.总氮、总磷的分配系数K随C0的增大呈递减趋势,Na+和Cl-的K值随C0的增大呈递增趋势;对各条件下的K值进行假设检验,结果为:水样中物质初始浓度和结冰温度显著影响其在冰-水体系中的分布;同一温度下,C0较小时,酸碱度显著影响各物质在冰-水体系中的分布,C0较大时,酸碱度显著影响Na+和Cl-在冰-水体系中的分布,但对总氮、总磷浓度分布的影响不显著.可见,在不同环境因素下,各物质在冰-水体系中表现出不同的分布特征,对此进行模拟可为寒区湖泊污染物迁移和生物地球化学循环的研究提供一定的参考.

基于径向基函数的结冰收集率计算的两级插值方法

为提高飞机结冰数值模拟中粒子轨迹计算的效率,基于拉格朗日方法,提出了两级插值方法。第一级插值为收集率插值,根据水滴轨迹在壁面撞击位置的收集率,采用径向基函数插值计算所有网格的收集率;第二级插值为轨迹插值,把水滴从远场运动撞击到壁面过程分为两个部分,在距机翼较远位置计算少量水滴轨迹,在壁面附近位置加密计算大量水滴轨迹。采用收集率插值时,由于结冰累积,线性插值或者高阶样条插值方法在遮蔽区内插值不准确,引入径向基函数插值来解决该问题。给出的算例表明,两级插值方法能够极大地提高拉格朗日法计算收集率的效率,径向基函数插值能够避免遮蔽区内插值不准确的问题。

模拟湖泊融冰过程中阿特拉津的迁移规律

为探究阿特拉津在湖泊冰融化过程中的迁移规律,配制2组不同初始浓度的阿特拉津水样,并通过模拟湖泊的自然结冰和融冰的过程,分析阿特拉津在冰水体系和冰体内部的分布及其在冰体融化过程中的融出浓度。研究结果表明,不同初始浓度的阿特拉津溶液在冰水两相中的分布规律均为冰融水浓度<结冰前水浓度<冰下水浓度,在冰中的分布表现均为上层浓度<中层浓度<下层浓度;阿特拉津在初期冰融水(融1)中含量最高,即融冰过程中阿特拉津存在初期洗脱现象;随着融冰过程的进行,阿特拉津会呈少量、有递减趋势的融出;融冰进程前段冰融水(融1、融2、融3)中阿特拉津含量大于原冰体含量的77%,阿特拉津在融冰初期向冰融水中的迁移能力大于融冰后期。

水体结冰过程中物质的迁移规律

自然结冰过程中影响物质迁移的因素很多,为探讨结冰过程中NO3^--N、NH3-N、PO4^3-、TFe、TMn 5种物质的迁移规律以及结冰厚度、结冰温度、初始质量浓度对迁移规律的影响,开展了室内模拟结冰实验,分别测定了5种物质在冰厚为5 cm、10 cm和15 cm时,结冰温度为-10℃、-15℃和-20℃时,初始质量浓度为原溶液质量浓度的1/2和2倍时迁移规律的变化.结果表明:结冰过程中5种物质的分配系数均小于1,且结冰温度越高,5种物质分配系数越小;结冰厚度越大,除NO3^--N外,其余物质分配系数越小;溶液初始质量浓度越高,除NH 3-N外,4种物质的分配系数越小,5种物质均向冰下水体中发生了迁移.该研究成果可为高纬度及高海拔地区水体自然结冰过程中污染物的迁移规律提供一定的参考.

多段翼构型结冰计算方法及结冰影响分析

为了揭示不同来流条件下多段翼构型表面结冰特性,针对30P30N增升构型开展了结冰数值模拟研究。在计算方法方面,通过引入最小壁面距离,实现了基于拉格朗日方法的高效液滴收集率计算。采用局部网格拓扑重构技术改善了复杂冰形下网格重构稳健性差的问题,实现了更加鲁棒的多时间步结冰过程自动化计算能力。基于上述算法,开展了结冰特性及带冰后气动特性模拟,计算结果显示,多段翼结冰区域主要分布在前缘缝翼迎风面、主翼段及襟翼下翼面。在上游部件尾迹的影响下,多段翼表面水滴收集特性呈现显著的动态分布特性。前缘缝翼表面形成的冰角结构及其缝道附近发生的积冰堵塞是导致多段翼构型气动性能退化的主要因素,相比之下襟翼表面结冰对气动特性的影响程度较小。

机翼表面明冰形成过程数学模型

针对飞机飞行过程中机翼表面明冰结冰现象采用数值模拟方法建立了结冰模型。首先采用欧拉法构造了空气—水滴两相流流动模型,之后建立了考虑液态水回流效应的积冰模型。利用该模型模拟了明冰在NACA0012翼型上的生长过程,并将所得结果与NASA试验进行对比,获得了较好的一致性,证明该模型是合理的。

PREDICTION OF RIME ICE ACCRETION AND RESULTING EFFECT ON AIRFOIL PERFORMANCE

The roughness effect based on the wall function method is introduced into the numerical simulation of the rime ice accretion and the resulting effect on the aerodynamic performance of the airfoil. Incorporating the two-phase model of air/super-cooled droplets in the Eulerian coordinate system, this paper presents the simulation of the rime ice accretion on the NACA 0012 airfoil. The predicted rime ice shape is compared with those results of measurements and simulations by other icing codes. Also the resulting effects of rime ice on airfoil aerodynamic performance are discussed. Results indicate that the rime ice accretion leads to the loss of the maximum lift coefficient by 26%, the decrease of the stall angle by about 3° and the considerable increase of the drag coefficient.