旋转整流罩表面球形脱落冰运动轨迹的数值模拟

为了合理地设计旋转整流罩的防冰系统,以旋转坐标系为参考系,建立了旋转整流罩表面球形脱落冰在涡扇发动机进口流场中运动的数学模型,考虑了脱落冰所受的气动曳力、压差阻力、离心力以及哥氏力,并据此开发了球形脱落冰运动轨迹的计算程序。采用该程序与商业软件NUMECA计算得到的发动机进口空气流场数据对球形脱落冰的运动过程进行了数值模拟。计算结果表明,球形冰的运动轨迹线在靠近整流罩处接近于沿径向的直线,此后球形冰在远离旋转轴的同时也向下游弯曲;直径较小和脱落位置靠近下游的球形冰更易进入发动机内,并且其跟随旋转轴转动的趋势越显著。

跨音速风扇转子冰撞击损伤规律及抗冰 撞击改进设计研究

目的揭示脱落冰形状、运动轨迹和姿态对航空发动机风扇转子叶片的撞击损伤规律,增强叶片的抗冰撞击能力。方法采用LS-DYNA进行数值模拟,开展脱落冰与叶片的撞击过程和叶型改进设计研究。结果叶片的撞击损伤程度受脱落冰结构强度的影响,在同样的撞击条件下,叶片受球体冰撞击损伤最严重,而受片体冰撞击损伤最轻。叶片的损伤程度由叶片和脱落冰之间的相对速度和叶片切割冰块的质量共同决定,叶片切割脱落冰的质量越大,塑性变形越严重。当脱落冰入射角为45°时,叶片损伤最严重,对叶片的最大撞击力为17828 N,最大内能达到126 J;当冰片从原始姿态绕y轴旋转90°时,对叶片前缘的撞击载荷最大,叶片塑性变形最严重。改进后,叶片受沿45°入射角脱落冰撞击后最大内能减小16%,失速裕度提高16.2%,峰值效率提高0.33%。结论跨音速风扇转子撞击损伤位置在前缘附近,增大叶片进口几何角和局部厚度能显著提高叶片抗冰撞击能力。

导线覆冰脱落的数值模拟和参数分析

导线覆冰脱落产生的纵向不平衡张力会严重威胁到输电线路的安全。在塔线体系模型基础上利用冰单元的生死模拟导线覆脱冰,通过与以往的模型试验比较验证该模拟方法的适用性,进行建模参数的敏感性分析以确定合适的计算模型,最后进行导线脱冰的参数分析。计算结果表明,脱冰前输电塔的基底剪力和基底弯矩为零,脱冰后两者大幅增加,且越靠近脱冰档数据越大。当档距越大、覆冰越多、脱冰位置越靠中间和脱冰比例越大时,脱冰响应越显著;当导线的初始张力越大时,脱冰响应越小。

冰脱落对电热除冰传热特性的影响研究

冰脱落对电热除冰传热特性的影响是电热除冰过程中的重要特征。采用有限体积法和混合网格技术,基于热焓方法将传统的相变传热模型应用到电热除冰计算中,研究了冰脱落对电热除冰传热特性的影响,主要研究了加热模式和加热单元间隔对除冰结构传热特性的影响。研究发现:无间隔除冰单元是有间隔除冰单元的特殊情况,其蒙皮表面温度历程在本质上是一致的。冰脱落后,无间隔除冰单元蒙皮表面温度开始剧烈上升然后逐渐缓慢上升。而对于有间隔除冰单元,随着间隔上加热功率的降低,温升过程逐渐缓和。单元间隔的加热功率降低到一定程度时,表面温度出现温降过程。当传递到蒙皮表面的热量和对流换热带走的热量差逐渐趋于稳定时,表面温度又开始逐渐稳定的上升。

ARJ21-700飞机冰脱落数值模拟

ARJ21-700飞机采用尾吊式发动机布局,特定条件下自表面脱落的冰块对发动机构成安全威胁。为研究冰块形状、姿态及脱落位置对进入发动机的概率的影响,本文应用课题组自主研发的流体计算软件MBNS3D,求得ARJ21-700飞机定常流场,建立不同冰型的气动力数据库;通过对脱落冰块求解六自由度方程,得到冰块自飞机头部和机翼上表面脱落的运动轨迹。研究发现,该方法可以准确、快速进行大量轨迹计算,通过对冰块运动轨迹进行分析,总结冰块被吸入发动机的规律,为ARJ21-700飞机适航提供依据。

输电线路覆冰脱落动力效应试验研究

输电线路的覆冰脱落容易引发导线间的碰撞闪络、线夹和连接金具的损坏,严重危害电力系统的安全运行。研究覆冰导线脱冰后的动力响应特征,可以为防止电网冰灾的设计提供有效依据。该文在实验室设计并进行50m孤立档导线的脱冰跳跃试验,通过在导线上悬挂电磁铁吸附的铁块来模拟覆冰质量,利用断电延时时间继电器控制电磁铁的通断电时间来控制覆冰脱落顺序与速度,测量覆冰导线在不同的覆冰厚度、脱冰率、脱冰位置、脱冰顺序及速度的工况下,导线端部张力和导线跨中跳跃高度,并利用有限元软件ANSYS进行了验证。试验结果表明,覆冰脱落后导线端部的最大动张力与脱冰前的最大静张力相差不大;导线覆冰从中间往两边脱落引起的跨中导线跳跃高度最大;当覆冰从导线两边往中间高速脱落时,跨中导线的跳跃高度最小。

民用飞机机头冰脱落特性数值模拟

建立了带动力条件下飞机表面冰块脱落的数值计算方法,包括全机带动力的空气流场计算方法、冰块运动中气动力和力矩的确定方法以及冰块运动的六自由度方程数值求解方法。采用以上方法对某民用支线飞机巡航和进场状态下的机头冰脱落特性进行了模拟,对比了迎角对冰脱落的影响,分析了冰脱落的速度和轨迹关系,得到了冰块被吸入发动机的概率,为发动机吞冰设计、飞机冰脱落的适航符合性验证以及自然结冰试飞提供了较好的支持。

基于冷库环境下的涡扇发动机叶片冰脱落试验

发动机结冰脱落现象因其随机性和复杂性很难通过计算仿真获得可靠的结果,而冰风洞试验又因其高昂的使用成本限制了该方法的普及。为此建立了一个兼顾可行性及经济性,同时具有一定可靠性的试验方法,即借助冷库环境并利用斜流风机、喷雾耙、温度调节系统等模拟飞行过程中可能面临的结冰环境;以某型号民用飞机涡扇发动机缩比带动力模型为对象,研究不同工况下叶片结冰及冰脱落的特性和规律。在正式试验之前,通过热线风速仪、喷雾激光粒度仪、标准冰刀和金属格栅分别对来流速度、流场中液态水含量、水滴的平均粒径进行了标定。为克服云雾循环/聚集的问题,开发了云雾吸附系统,便于在封闭的冷库环境中维持流场的稳定性。试验结果表明:当转速为2 400 r/min不变时,随着环境温度的降低,冰脱落所需的时间及剩余冰的特征长度均先减小后增大,其拐点出现在-3.5～-5℃的区间内;当环境温度为-7℃不变时,叶片绕转轴的转速越大,冰脱落所需的时间及剩余冰的特征长度均单调减小。

考虑脱冰速度效应的输电线路脱冰模拟

输电线路的脱冰将对相邻塔产生纵向不平衡张力,严重威胁到输电线路的安全。提出输电线覆冰脱落的有限元模拟方法,与以往的模型试验结果进行比较以验证该方法的准确性,分析导线和地线整档同时脱冰产生的系统响应,最后针对导线的unzipping形式脱冰分析脱冰速度对响应的影响。本文的算例发现,地线整档同时脱冰将产生比导线整档脱冰更大的纵向不平衡张力。在unzipping形式脱冰分析中,脱冰速度越慢,系统响应越接近于静态卸载;脱冰速度越快,系统响应越接近于整档同时脱冰。

山坡地形输电线路的覆冰脱冰研究

采用有限元方法研究山坡地形输电线路的覆冰脱冰问题,分析不同覆冰厚度和山坡倾角下输电塔的受力情况与杆塔设计工程量的变化,研究中间档导线脱冰后输电线路的运动情况、绝缘子的轴力和输电塔的基底弯矩响应等。计算结果表明:线路覆冰后,基底弯矩随着山坡倾角和覆冰厚度的增大而增加;导线脱冰后,输电塔的底部弯矩随着山坡倾角的增大而大幅增加。同时分析了山地倾角、覆冰厚度、导线脱冰对杆塔技术经济性的影响,塔重、造价随山坡倾角增大而表现出线性增长趋势,覆冰厚度和脱冰不同造成的增长并非呈简单的线性关系。研究结果为山地情况下输电线路的覆冰脱落荷载取值以及技术经济分析提供参考。

旋翼结冰模型与纵列式直升机平衡特性分析

为了研究纵列式直升机结冰后的飞行动力学问题,基于CFD(ComputationalFluid Dynam ics)技术提出了旋翼结冰的理论模型;基于旋翼冰风洞试验数据,考虑桨叶表面附着冰脱落及桨叶表面局部温度对结冰的影响,提出了旋翼结冰的工程模型.建立了纵列式直升机结冰后的飞行动力学模型,研究了不同飞行速度条件下结冰对样机CH-47B平衡特性的影响,分析了环境温度、结冰时间、液态水含量以及平均水滴直径对旋翼扭矩的影响.计算结果的对比分析显示:两种结冰模型在计算精度上基本一致,表明结冰模型合理,能够用来进行结冰后的飞行动力学分析,为纵列式直升机结冰后的飞行动力学研究奠定了基础.

旋转脱冰试验与数值模拟研究

航空发动机旋转件的冰脱落会对进气系统造成不能接受的机械损伤,因此需要对旋转脱冰现象进行研究。脱冰研究主要分为两部分:冰风洞实验室的旋转脱冰试验和基于有限元软件的仿真计算。通过试验得到了不同工况下冰脱落时的冰型、结冰质量和密度等相关数据。通过仿真计算得到附着在固体表面冰的应力分布情况。试验结果显示,在较低温度下形成的霜冰相比于较高温度下形成的明冰更难发生冰脱落现象。仿真结果显示,霜冰内聚力呈现小于剪切黏附力的特性,明冰的内聚力呈现大于剪切黏附力的特性。

输电线路覆冰脱落参数影响研究

覆冰脱落会造成导线断股、金具破坏和闪络等事故,是输电线路的常见灾害之一。为了研究覆冰脱落的振动机理,通过ANSYS有限元软件建立了输电线路模型,考虑覆冰刚度影响,使用生死单元技术模拟了2种典型的覆冰脱落形式,即单导线受冲击荷载脱冰和分裂导线单子导线脱冰。通过数值模拟研究了线路参数和外部荷载对导线脱冰的影响,结果表明:(1)单导线受冲击荷载脱冰在跨度较大时应考虑风荷载的影响;(2)脱冰率和跳跃高度随冲击荷载的增大而增大;(3)分裂导线单子导线脱冰能够加速分裂导线的脱冰过程,并且应考虑风荷载的影响;(4)子导线的数目与分布对脱冰率有影响;(5)在跨中附近布置间隔棒有利于减小最大跳跃高度;(6)不考虑覆冰刚度的模拟结果偏于不安全。研究成果可以为输电线路的设计提供参考。

CCAR25.1093适航符合性验证思路简述

民用大型运输类飞机需要满足中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》才能取得型号合格证。本文对其中的25.1093条款要求进行了分析,提出了建议的符合性验证方法和思路,并对符合性验证中的难点进行了简要说明,为运输类飞机25.1093条款的适航审查和符合性验证工作提供参考。

Numerical Simulation on Ice Shedding Phenomena in Turbomachinery

In the jet engine, icing phenomena occur primarily on the fan blades, the FEGVs （fan exit guide vanes）, the splitter, and the low-pressure compressor. Accreted ice disturbs the inlet flow and causes large energy losses. In addition, ice accreted on a fan rotor can be shed from the blade surface due to centrifugal force and can damage compressor components. This phenomenon, which is typical in turbomachinery, is referred to as ice shedding. Although existing icing models can simulate ice growth, these models do not have the capability to reproduce ice shedding. In the present study, we develop an icing model that takes into account both ice growth and ice shedding. Furthermore, we have validated the proposed ice shedding model through the comparison of numerical results and experimental data, which include the flow rate loss due to ice growth and the flow rate recovery due to ice shedding. The simulation results for the time at which ice shedding occurred and what were obtained using the proposed ice shedding model were in good agreement with the experimental results.

不同覆冰状态下输电塔线体系脱冰及断线受力分析

输电线路脱冰及断线对输电塔线体系所造成的影响一直受到人们的关注。利用ANSYS建立四塔三线的输电塔线体系有限元模型,计算不同工况下的输电塔线体系脱冰、断线过程,分析脱冰和断线的受力规律。结果表明:线路中上、下两排导线间距低于两排导线脱冰振动幅度的总和,可导致线路接触闪络;导线脱冰后导线张力振荡减小,并且振荡部分峰值会超过初始状态值;单根导线断线产生的冲击荷载大于两根导线断线产生的冲击荷载。