考虑侵蚀效应的冰晶/混合相结冰计算方法

航空发动机内部摄入冰晶并发生结冰,是造成航空发动机损伤和动力损失的重要原因。开展冰晶/混合相结冰计算方法研究,系统分析冰晶结冰物理模型是研究航空发动机内部结冰过程,保证飞行适航安全的主要途径之一。围绕冰晶/混合相结冰计算,建立了拉格朗日框架下,涵盖冰晶运动-传热传质、冰晶粘附、混合相结冰相变、冰晶侵蚀等多个物理现象的完整冰晶/混合相结冰数值计算方法,基于NNWICE结冰平台开发了相应计算程序。以NACA0012翼型及二维冠状圆柱为对象,模拟了不同来流条件及云雾条件下所结冰形,并与试验结果对比,验证了所建立计算方法的有效性,分析得到了来流温度与液态水含量/总水含量在混合相条件和冰晶覆水条件下对结冰的影响规律;对比有无侵蚀效应计算结果,验证了冰晶侵蚀效应对结冰的重要影响。相关工作为进一步发展航空发动机结冰数值模拟计算奠定了工作基础。

NNW-ICE软件的三维结冰模型及精度验证

结冰现象严重危害飞行器的飞行安全,而数值模拟是研究结冰的重要手段之一。NNW-ICE软件是一款由中国空气动力研究与发展中心开发的中国完全自主可控的结冰数值模拟软件。该软件中的三维结冰相变模型相比于传统的SWIM、Myers模型增加考虑了表面接触角对水膜流动的影响,且能量方程中增加考虑了伴有蒸发现象的霜冰结冰。数值计算方法方面,软件采用有限体积法对方程进行离散,拓展了模型对于复杂几何构型的非结构网格的适用性,并且集成了一阶显式、四阶四步龙格库塔-显式、一阶隐式、二阶一步龙格-库塔隐式共4个求解器。本文还采用了冰风洞试验结果、商业软件FENSAP-ICE计算结果对软件精度进行了验证。结果表明:NNW-ICE软件的计算结果与冰风洞试验结果吻合均较好,且精度总体优于FENSAP-ICE软件。