翼型结冰过程数值模拟验算与分析

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1、第２卷第３期航空工程进展Ｖｏｌ．２Ｎｏ．３２０１１年８月ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡｕｇ．２０１１文章编号：１６７４－８１９０（２０１１）０３－２６７－０６翼型结冰过程数值模拟验算与分析孔满昭，蒲宏斌（中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，西安７１００８９）摘要：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

2、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。关键词：翼型；水滴撞击；结冰模拟；气动力特性中图分类号：Ｖ２１１文献标识码：ＡＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣｈｅｃｋａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｃｅＡｃｃｒｅｔｉｏｎｏｎＡｉｒｆｏｉｌＫｏｎｇＭａｎｚｈａｏ，ＰｕＨｏｎｇｂｉｎ（ＴｈｅＦｉｒｓｔＡｉｒｃｒａｆｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ，Ｘｉ’ａｎ７１００８９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｃｅａｃ

3、ｃｒｅｔｉｏｎｃｏｄｅＦＥＮＳＡＰ－ＩＣＥｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｗａｔｅｒｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔａｎｄｉｃｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆＮＡＣＡ００１２ａｉｒｆｏｉｌ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅａｉｒｆｏｉｌｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｃｉｎｇａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ，ｓｕｃｈａｓｌｉｆｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｄｒａｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｄｅｔａｉｌａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏ

4、ｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｃｉｎｇｏｆａｉｒｆｏｉｌｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｔｈｅｆｌｏｗｓｅｐａｒａｔｉｏｎｉｎａｉｒｆｏｉｌｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｉｎａｄｖａｎｃｅ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｍａｘｉｍｕｍｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｓｔａｌｌａｎｇｌｅｒｅｄｕｃｅｄｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙａｓｗｅｌｌａｓｄｒａｇｃｏｅｆｆｉ－ｃｉｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｃｅｓｈａｐｅｓａｇｒｅｅｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈｒｅｆｅｒｒｅｄｂｙｌｉｔｅｒａｔｕ

5、ｒｅｓａｎｄｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｓａｔｉｓｆｉｅｄｗｉｔｈｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｉｒｆｏｉｌ；ｗａｔｅｒｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ；ｉｃｅａｃｃｒｅｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［１－２］用。加拿大的ＦＥＮＳＡＰ－ＩＣＥ软件是目前较为０引言先进的结冰预测软件，具有复杂构型的三维结冰计飞机在穿越含有过冷水滴的云层时，表面会出算能力，结冰模型考虑了壁面粗糙度以及水膜流动［３－５］现结冰现象。主要升力部件（机翼、尾翼）结冰，会等因素对结冰过程的影响。本文应用严重

6、地破坏其气动外形，对飞行安全造成很大的ＦＥＮＳＡＰ－ＩＣＥ软件对ＮＡＣＡ－００１２翼型进行结冰［６］威胁。计算，并与冰型试验数据进行对比。随着计算流体力学的发展，飞机结冰的数值模１结冰计算原理及过程拟计算取得了很大的进展，常规的冰型计算结果和冰风洞试验得到的冰型结果已经较好地吻合，满足利用ＦＥＮＳＡＰ－ＩＣＥ软件求解飞机结冰过程主工程应用要求。而考虑超大过冷水滴、冻雨以及存要分三个步骤：首先，使用ＦＥＮＳＡＰ模块求解可压在水膜流动情况的结冰已经在数值计算中应（或不可压）Ｎ－Ｓ方程或者欧拉方程，得到飞机的外流场；然后，使用ＤＲＯＰ３Ｄ模块求解水滴运动的欧拉方程，计算水滴的撞

7、击特性；最后，使用ＩＣＥ３Ｄ收稿日期：２０１１－０４－１３；修回日期：２０１１－０５－０５结冰模块求解冰型的增长过程。通信作者：孔满昭，ｋｍｚ＠ｍａｉｌ．ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ求解Ｎ－Ｓ方程，采用Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ一方程２６８航空工程进展第２卷湍流模型无量纲湍流粘性的输运方程如下：示。在同样的速度和攻角下，进行了不同温度的结～ｄｖ～～１～～冰试验。温度对冰型产生重要影响，不同结冰温度＝ｃｂ１（１－ｆｔ２）Ｓｖ＋｛（·［（ｖ＋ｖ）ｖ］＋ｄｔσＲｅ∞决定了不同的结冰速率，直接决定了冰型类型。一～２～）２）｝－１ｃ