表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaFeb．252017Vol38No2SSN1000．6893ON11—1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．educnhkxb@buaaeduca表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响郭之强1，郑梅1，董威1’*，朱剑鏊21．上海交通大学机械与动力工程学院，上海2002402．中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海201108摘要：采用数值模拟对比研究了光滑表面和具有表面凸起结构热气防冰腔内湍流流动的换热特性。机翼防冰腔内笛形管具有三排射流孔，射流孔角

2、度有0。±45。组合以及0。±30。组合。为了强化射流冲击光滑表面的流动换热，在防冰腔内表面正对射流孔的射流冲击区，设计了表面凸起结构，用来强化射流对壁面的冲击换热效果并起到引流作用。通过改变射流孔射流角度研究了射流角度对传热特性的影响。计算结果表明：与光滑防冰腔内表面射流冲击换热相比，表面凸起结构可以将均匀发散的壁面射流集中为高速壁面射流，提高壁面射流区的对流换热系数，从而增强射流冲击换热效果，机翼前缘的强化换热效果尤为明显。关键词：热气防冰；冲击射流；表面凸起；强化换热；数值模拟中图分类号：V211．3文献标志码：A文章编号：i00

3、0—6893(2017)02—52070910热气防冰腔系统作为一种有效的机翼防冰手段，一直广泛应用在航空飞行器上。热气系统在工作时从航空发动机中抽取部分热气对部件表面进行加热以达到防冰的目的，防冰腔引气量的大小会直接影响航空发动机的热效率，所以开展防冰腔内强化换热研究以减少热气引气量是十分必要的。国外很早就开展了笛形管和射流冲击弯曲表面的实验研究口‘2]，当时的工作主要集中在狭缝和单孔射流以及射流冲击平板换热的研究上；随后，在射流冲击平板换热的基础上，开始着手研究射流冲击弯曲表面和平板之间的区别口。4]。Hrycak[3。41的试验结

4、果表明：当雷诺数为12000～88000，射流冲击小弯曲率的弯曲表面时，滞止点处对流换热系数弯曲表面要高于平板，且总的对流换热系数也高于平板；对于高弯曲率的弯曲表面，在流体冲击换热时存在流体的卷吸现象邸。8]。为了增强射流表面的对流换热效果，提高射流换热效率，研究人员从提高射流壁面流动的掺混力度增强流动的湍流特性人手，针对多孔射流冲击表面做了深入研究凹。1“，研究参数主要包括：射流孔的射流角度、射流孔问距、射流孔距前缘的距离以及射流表面旋转转速等。相对于试验而言数值计算成本相对较低，可较为详细地展示防冰腔内部流体的流动状态，因此越来越多

5、的学者开始致力于这方面的研究，主要分为两部分：一是冲击弯曲表面换热的数值计算方法；二是通过数值模拟优化笛形管防冰腔系统。Mujumdar等口2。15]通过数值计算的方法研究湍流模型对射流冲击表面对流换热系数预测准确度的影响，并且在原有的湍流模型上加以改进。总的来说二方程的湍流模型只能部分模拟出射流收稿日期：2016—08—26；退修日期：2016—10—10；录用日期：2016—11—16；网络出版时间：2016—11—3015：18网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929．V．201611301518

6、002htmI基金项目：国家“973”计划(201508755800)；国家自然科学基金(11572195，11272212)*通讯作者．E-mail：wdong@sjtueduca}

7、角撂武：郭之强，郑梅，董威．等．表面凸起对机翼热气肪冰腔由换热强化的影响!JI，航空学报．2017。38(2)：520709．GUOZQ，ZHENGM，DONGW，etalInfluenceofsurfaceconvexORheattransferenhancementofwinghotairanti-icingsystem[JJActaAeronaut

8、icaetAstronauticaS{nica，2017．38(2)：520709。520709．1航空学报冲击弯曲表面的流动特性，湍流模型的使用还有待改善。通过对射流冲击换热湍流模型的研究，研究人员基本锁定了改进的砖e湍流模型和剪切应力输运(SST)肛叫湍流模型作为数值计算采用的湍流模型，用数值计算的方法研究在不同几何和不同流体参数状态下，射流流体的传热传质特性。Kumar等口61数值研究了射流孔雷诺数、射流孔距壁面距离及孔间距等对射流表面对流换热系数和壁面压力分布的影响。其结果表明：在增加出口雷诺数、减小射流孔到壁面距离和减小孔间距

9、的情况下，壁面对流换热系数随之增加；Sharif和Mothe[173数值模拟研究了出口雷诺数对表面对流换热系数的影响，并且通过耦合数值数据得到了关于平均表面对流换热系数的经验公式。Mattos和Olivei