发动机进气道短舱前缘结冰三维模拟研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252013Vol34No．3517．524ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．educa发动机进气道短舱前缘结冰三维模拟研究申晓斌1’2，林贵平1’2，卜雪琴1一一，郁嘉1，侯盼雪1’21．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1001912．北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京100191摘要：为计算发动机进气道短舱前缘的结

2、冰冰形，在Messinger结冰热力学模型的基础上发展了一套纯三维的表面溢流水流动结冰模型。考虑空气摩擦力为表面溢流水流动的主要驱动力，用空气对进气道表面的剪切力来确定溢流水的流动方向及流量分配。为求解溢流水结冰模型，发展了一套重复查找表面控制体状态的方法，能够快速完成整个三维表面的计算。用该方法对某三维发动机进气道进行计算，得到了三维结冰冰形，并将计算结果与FENSAP—ICE计算结果进行了对比，结果显示两者的冰形轮廓基本一致，仅在冰角处存在差异，表明本文三维发动机结冰计算模型与计算方法是有效的，其计算精度

3、与FENSAP—ICE结果相当。关键词：发动机；三维模拟；冰形；溢流水；热力学模型中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)03—051708飞机发动机结冰是影响飞行安全的一个重要因素，它会导致速度场分布不均匀，使发动机进口堵塞，轻则减少发动机的进口流量，重则引起发动机喘振，而脱落的冰块又很容易打伤叶片，损坏发动机部件，造成飞行事故[I]。因此，对发动机进行结冰研究是非常有必要的。与飞机机翼和尾翼等部件相比，发动机进气道结冰的特殊之处为：大气环境温度高于冰点时，有可能发生结

4、冰；发动机表面更为复杂，结冰强度与范围可能更大。对飞机结冰的研究主要有结冰风洞试验、结冰试飞试验及数值模拟3种方法。近年来，计算科学与技术有了较好的发展，而且数值模拟在经济成本上有巨大优势，所以用数值方法研究及预测结冰问题已逐渐成为结冰研究的重要手段。国内外对飞机结冰的数值研究主要集中在飞机机翼及尾翼上，对飞机发动机进气道结冰的研究相对较少心。5]。国外对飞机结冰现象较重视，发展了一系列二维及三维的结冰软件，比较著名的是美国的LEWICEl6]和加拿大的FENSAP—ICE【7]。Papadakis[83用L

5、EWICE3D软件对发动机进气道进行了结冰冰形计算，其结果与结冰风洞试验基本吻合，但他们的三维结冰冰形是通过二维截面组合来完成的。而FENSAP—ICE[90的计算速度较慢，所需的计算资源较多。虽然国内对飞机结冰的研究起步较晚，但是近年来发展迅速，北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学、上海交通大学和中国空气动力研究所等单位在结冰冰形的数值计算方面做了一定的研究，已经可以完成纯三维机翼的结冰计算口”11]，而对于三维发动机进气道结冰冰形的研究尚未见报导[12

6、。纯三维结冰计算的难点主要在于三维表面未

7、凝结液态水的溢流方向是未知的。易贤收稿日期：2012—04—09；退修日期：2012—05-16；录用日期：2012—06—12：网络出版时间：2012—06—2115：16网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929V201206211516007html基金项目：“凡舟”青年科研基金(20110503)*通讯作者．Tel：010-82338600E-mail：buxueqin@buaaeducn引用搭武

8、Shenx8．LinGP．BuXO，etal，Three·dimens

9、ionalsimulationresearchoniceshapeatengineinletnacellefront．ActaAeronau—ticaetAstronauticaSinica，2013，34(3)；517-524．乒魔詹，琳劳乎，卜雪琴，等．发动祝进气遣短艏静缘结冰三整横捌研芜．航空学报，2013．34(3)：517-524航空学报争“。在二维Messiger结冰模型的基础上，建立了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型。发展了相应的迭代求解方法，但是对于复杂表面，如果溢流水分配不合理，很可

10、能导致迭代不收敛。常士楠等[】11将溢流水分成弦向与展向两个分量来进行三维机翼结冰计算，但是这种方法对发动机等表面特别复杂的情况不适用。由于三维网格更新的复杂性与三维结冰的耗时性，国内外现有三维结冰程序几乎都采用时间单步法，不对结冰后的网格进行更新。本文根据Messiger结冰模型的质量守恒与能量守恒对发动机进气道表面控制体进行了分析，建立了纯三维发动机表面的结冰热力学模型。发动机表面的溢流水方向与