三维机翼结冰模拟.pdf

《三维机翼结冰模拟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnautiCaSinicaFeb．252011V01．32No．2212．222ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．Cr)文章编号：1000—6893(2011)02—0212—1I三维机翼结冰模拟常士楠*，苏新明，邱义芬北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：针对机翼结冰问题，利用欧拉法求解空气水滴两相流流场，通过Fluent软件用户自定义函数功能编程

2、求解三维机翼表面水滴局部收集系数以及结冰情况。在计算中。将水溢流方向沿机翼弦向和展向分解，以此对Messinger结冰热力学模型进行改进，使之更符合三维情况，并在此基础上进行三维传质传热分析；修正传统的二维表面对流换热系数求解方法，得到求解三维表面对流换热系数的改进方法。采用沿壁面法向结冰的方式进行冰生长计算，通过与国外冰风洞试验结果及结冰计算软件LEWICE结果的比较，证明本文三维结冰计算方法是正确的。关键词：机翼结冰；结冰模拟；欧拉法；对流换热系数；三维水滴撞击特性中图分类号：V244．i+5文献标识码

3、：A机翼是飞机的重要组成部分，自飞机面世以来，机翼结冰问题逐渐受到人们的关注。由于机翼结冰后对飞机的气动特性影响很大，降低飞行质量，严重者会造成机毁人亡，因此各国的研究者一直致力于研究机翼结冰的机理以及结冰特性，为设计防除冰方案提供可靠依据。目前国际上通用的研究结冰的方法主要有两种：试验法和数值模拟法。试验法中最主要的一种是冰风洞试验，通过将机翼或模型放入冰风洞内进行测试，观察结冰情况。这种方法比较直观，但由于进行一次试验需要耗费很大的财力、物力，且受到冰风洞尺寸限制，所以这一方法并不适合普遍性的研究。数值

4、模拟法，则是利用计算机建立机翼几何模型、划分计算网格，计算水滴撞击特性。在流场计算和水滴撞击特性计算的基础上，进行机翼表面的传热、传质计算，得出冰形。数值模拟法因其应用灵活、成本低廉的特点，在结冰研究的手段中占据了主导地位。早期的数值模拟方法比较简单，模拟主要在二维层面上，随着数值技术以及计算机计算水平的不断发展，数值模拟方法已经逐渐向模拟三维机翼结冰的方向发展。其结果与真实情况已经很接近。在国外，许多研究机构都发展有自己的结冰研究软件，如美国国家航空航天局(NASA)开发的LEWICEt¨、加拿大麦吉尔大

5、学开发的FEN—SAP—ICEt纠等。经过多年的发展，这些结冰研究代码的功能不断完善，例如NASA的LEWICE代码，从1983年开发至今，已经升级了数个版本，其计算精度也不断提高[3]，该软件已经被国外一些适航认定机构采用，作为确定飞机是否满足适航要求的工具。国内的结冰研究起步较晚，远远落后于国际先进水平，许多结冰模拟还停留在二维层面上，对于三维物体的模拟往往也是先计算其多个二维截面，然后将计算结果连接成三维结果。2007年易贤提出了结冰模拟程序(IcingResearchCode，收稿日期：2010-0

6、5·04；退修日期：2010-07-26；录用日期：2010—10-26；网络出版时同：2010—12-1317：57网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101213．1757．005．homl∞I：CNKI：1I-1929／V．20101213．1757．005基金项目：国家自然科学基金(10872020)*通讯作者．Tel．：010·82338008E·mail：snchang@buaa．edu．∞引用格武I常士楠．苏新明。邱义芬．三维机翼结冰模拟￡J

7、I?航空学报．2011。32C2)；212-222÷ChangShinan。SuXinming．QiuYifenjIceaccretionsimulationonthreedimensionalwings￡J]jActaAoronauticaetAstronauticaSinica．2011，32(2)：212-222．常士楠等：i维机翼结冰模拟IRC)E4。，并在此基础上进行了三维结冰计算。但是该程序选用拉格朗日水滴轨迹追踪的方法确定水滴撞击特性，该法在求解时需要加入大量的初始水滴，这严重影响了数值计算的

8、速度。另外由于三维效应的作用，给确定撞击极限和水滴与表面撞击点带来了困难。本文利用欧拉模型进行三维机翼结冰计算，欧拉法中将水滴视为连续相，避免了确定水滴初始位置的麻烦，有利于三维计算。同时利用Fluent软件中的用户自定义函数(UDF)E5]功能，提取机翼表面处水滴的运动和物理参数，进行水滴撞击特性以及结冰计算。这一方法可有效地节省计算时间，提高计算的精确度，更适合于三维问题。1计算流程本文计算三维结冰的主要流程