强耦合的航空发动机进口部件热气防冰三维数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种强耦合的航空发动机进口部件热气防冰三维数值模拟方法，涉及航空防冰技术领域。整个数值模拟过程包括三个模块：部件内外空气流动传热与固体导热的耦合计算、部件外过冷水滴流动与撞击特性的计算、部件防冰表面水膜流动传热与结冰相变的计算。模拟流程为：首先进行部件内外空气流动传热与部件固体导热的耦合计算，获得部件外表面的防冰加热热流分布，再计算过冷水滴流动和撞击特性，获得部件外表面的局部水收集系数分布，然后计算部件防冰表面的水膜流动、传热与结冰相变，获得水滴撞击和水膜传热带来的能量项，最后以此能量项作为部件固体的内热源，再次进行内外空气流动传热与固体导热的耦合计算，获得防冰表面温度分布。面温度分布。面温度分布。

【技术实现步骤摘要】
强耦合的航空发动机进口部件热气防冰三维数值模拟方法


[0001]本专利技术属于航空防冰
，具体涉及一种强耦合的航空发动机进口部件热气防冰三维数值模拟方法。

技术介绍

[0002]当飞机在结冰气象条件下飞行时，空气中的过冷水滴撞击到发动机进口部件迎风表面会发生结冰现象。发动机进口结冰部件包括支板、帽罩、导向叶片、风扇叶片等。进口部件结冰会导致发动机流量较少，造成发动机推力降低；进口部件表面的结冰使得部件型面改变，会破坏其气动性能，引发发动机失速、喘振等。而且，发动机进口旋转部件如旋转帽罩表面结冰时，冰层在气流及离心力的作用下还会从表面甩脱。一旦甩脱的冰块随气流进入发动机内部，可能撞击高速旋转的叶片，造成发动机的损伤。因此，对发动机进口结冰部件必须采取防冰措施。
[0003]发动机进口部件最常用的防冰方法是从压气机引出热空气对部件进行加热，称为热气防冰。为了设计高效的防冰结构，需要发展具有较高精度的热气防冰数值模拟方法。目前，国内针对热气防冰开展的数值研究大多采用二维数学模型，难以准确模拟防冰表面水膜的流动与传热，也难以应用于三维特征本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.强耦合的航空发动机进口部件热气防冰三维数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据部件外表面的几何特征和内部防冰腔的结构，构建包含部件外冷流、部件固体和内部防冰腔热气流的计算域，采用商用软件Fluent的单相流和固体导热求解器求解外部冷气流和内部热气流的连续方程、动量方程和能量方程以及部件固体的导热方程，获得空气流场中速度、压力等的分布与热气对部件加热的热流密度同时还得到部件外表面的对流换热系数h、气流剪切力矢量等的分布；S2：利用S1计算得到的流场中空气速度的分布，求解过冷水滴的流动控制方程，包括连续方程与三个坐标方向上的动量方程：续方程与三个坐标方向上的动量方程：续方程与三个坐标方向上的动量方程：续方程与三个坐标方向上的动量方程：其中i分别取1、2、3，表示坐标分量，ρ
w
为水的密度，α
w
为水滴的体积分数，u
a1
,u
a2
,u
a3
为空气速度在三个坐标下的分量，u1,u2,u3为水滴速度在在三个坐标下的分量，K为空气和过冷水滴之间的动量交换系数；采用软件Fluent的用户自定义标量(UDS)功能，对软件进行二次开发，添加过冷水滴的流动控制方程并进行求解，获得过冷水滴在流场中速度、体积分数的分布；部件表面局部水收集系数的定义式为：其中，α
w
为求解得到的过冷水滴的体积分数，u
d,∞
为来流的水滴速度，与来流空气速度相等，LWC是来流液态水含量，u
d,normal
是水滴在部件表面的法向撞击速度，根据水滴速度以及壁面的法向单位矢量求得；采用Fluent的UDM功能，根据局部水收集系数的公式对软件进行二次开发，求解部件表面每个微元控制体中的水收集系数；S3：根据S1求得的热气对部件表面的加热热流、部件表面的对流换热系数与气流剪切力以及S2求得的水收集系数等参数，求解防冰表面水膜流动传热的连续方程、动量方程和能量方程；连续方程为：其中，H
w
为水膜厚度，u
w1
,u
w2
分别为水膜在部件外表面沿流向和横向的速度，ρ
ice
为冰的密度，t为防冰时间；表示单位面积上过冷水滴撞击的质量流量，由水收集系数和来流参
数确定，表示单位面积上水膜蒸发的质量流量，代表单位面积上的结冰量；的计算式为：其中，ρ
a
为空气的密度，c
p,a
为空气的比定压热容，Sc是施密特数，M
w
为水的分子量，R为通用气体常数；p
wall
、T
wall
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，胡娅萍，李世明，陈宁立，张敏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：