发动机整流支板大尺寸过冷水滴撞击特性

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252011V01．32No．101778．1785ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)10-1778—08发动机整流支板大尺寸过冷水滴撞击特性胡剑平，刘振侠*，张丽芬西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072摘要：目前航空发动机防冰系统通用设计方案是以过冷小水滴的撞击特性为依据，但最新的研究结果显示大尺寸过冷水滴(SI，D)环境下的结冰会对飞行器带来更

2、加恶劣的影响。基于此，对大尺寸过冷水滴环境下发动机进口支板的水滴撞击特性进行了研究。首先对水滴运动控制方程进行了修正，以模拟水滴的变形及破碎的影响；然后对水滴在壁面处飞溅、反弹现象进行了机理研究，给出了大尺寸过冷水滴撞击特性计算的数学模型；最后对尾部可调的发动机进口支板在调节角度分别为0。与30。、水滴当量直径(MVD)为120Itm时的水滴撞击特性进行了数值模拟。研究结果显示：调节角度为o。时，水滴在驻点附近区域处于不稳定状态。破碎成MVD较小的水滴，支板驻点处由于水滴飞溅造成水滴收集系数下降了11．8％，同时由于水滴在局部地方的反弹使得撞击极限下降了35．7％；调节

3、角度为30。时，水滴在运动中没有破碎，但是在支板可调部分表面水滴全部反弹。关键词：航空发动机；防冰系统；发动机整流支板；大尺寸过冷水滴；撞击特性；数值模拟中图分类号：V233．94文献标识码：A发动机整流支板是飞机防冰的主要部件之一。目前大型涡扇发动机的整流支板尾部是可调的，其调节角度是根据发动机工作空气流量的变化进行控制的，这也给整流支板的防冰设计带来了新的要求与挑战。以往，国内外防冰系统设计中大气环境标准中过冷水滴尺寸均小于40Fm，而国外对于翼型表面积冰研究结果显示大尺寸过冷水滴(SLD)环境下的结冰会对飞行器性能造成更加恶劣的影响¨。2]。大尺寸过冷水滴通常是指

4、大气环境中水滴当量直径(MVD)超过40“m的过冷水滴。1994年美国客机ATR-72在印第安纳的罗斯劳恩由于飞机机翼发生积冰现象而坠毁[3]。事故分析发现飞机遇到大尺寸过冷水滴导致在防冰区域外发生了大量积冰。自此，大尺寸过冷水滴的积冰与防冰成为国内外防冰系统研究的热点H]。但由于大尺寸过冷水滴运动物理机理复杂，其数学模型建立及试验研究困难也使得大尺寸过冷水滴环境下的水滴撞击特性研究成为防冰系统设计的难点之一。美国国家航空航天局(NASA)Glenn研究中心制定的SI。D研究计划大致分为5个研究内容并分别进行了相关研究[5]：SLD积冰气象环境定义；SLD试验测试仪器的

5、研制；试验方法的研究；相关风洞与设备的研制；积冰计算方法研究。而国内在该方面尚未开展系统工作。水滴收集率计算是飞行器积冰／防冰数值模拟的基础。然而，国外试验研究结果显示大尺寸水滴的运动规律不再满足以下几点小尺寸水滴流场计算的重要假设[6]：①空气黏性力为水滴受到的主要作用力，其他作用力可忽略不计；②水滴为收稿日期：2011-01-06；退修El期：2011-02-21；录用日期：2011—04．06；网络出版时间：2011—04—2613：07网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110426．1307．004．htmI

6、DOI：CNKI：11-1929／V．20110426．1307．004基金项目：航空科学基金(20090453006)*通讯作者．Te．：029-88494394E-mail：zxliu@nwpu，edu．∞琴I崩楂武l胡鲷平．刘振侠，张藕芬?发动枧整流支极大足寸过冷水滴撞击特性[以．航空学报。201I。32(10)：1778-1785÷HuJian-ping。LiuZhenxia．ZhangLifen．Supercooledlargedropletimpactbehaviorsonanaero-enginestrut[∞．ActaAeronauticaetAs—tr

7、onauticaSinica，20，，，32(10)：1778-1785．胡剑平等：发动机整流支板大尺寸过冷水滴撞击特性刚性球形颗粒，在运动中不发生变形；③水滴既不破碎也不凝聚；④水滴在与飞行器表面碰撞后完全停留在固体表面，不会发生飞溅等物理现象。本文对大尺寸水滴运动规律的特殊性进行了分析，选取了合适的数学模型，并对某型航空发动机尾部可调的整流支板调节角度分别为0。与30。、MVD为120“m时的大尺寸水滴碰撞特性进行了研究，主要包括对水滴运动中的破碎现象，水滴与壁面碰撞后飞溅、反弹现象对整流支板水滴收集率的影响。1大尺寸水滴运动模型1．