基于连续水膜流动的稳态防冰仿真方法技术

本发明专利技术公开了基于连续水膜流动的稳态防冰仿真方法，包括如下步骤：建立两相流计算域模型；对计算域进行划分网格；求解两相流控制方程得到两相流场结果；计算防冰表面的水收集系数；求解防冰表面控制体的质量守恒方程，得到各质量项和能量项数值大小以及防冰表面温度；使用松弛迭代的方法，将防冰温度作为迭代变量求解能量方程，并修正上一步中的质量项和能量项，最终得到满足收敛条件的防冰表面温度，本发明专利技术采用数值仿真的计算方法，用以预测防冰表面温度，可为相关从业的工程技术人员提供技术支撑。供技术支撑。供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于连续水膜流动的稳态防冰仿真方法


[0001]本专利技术涉及稳态防冰
，具体涉及基于连续水膜流动的稳态防冰仿真方法。

技术介绍

[0002]飞机结冰会给飞行安全带来极大的危害，一直以来都是航空工业面临的巨大挑战。飞机结冰不仅会增加飞机的重量，还会破坏飞机的气动外形，使得升力减小阻力增大，降低飞机操作性和稳定性；积聚在部件表面的冰层还有可能发生脱落，脱落的冰块很有可能还会撞击到飞机的其他部件。这些种种不利因素都会对飞行安全造成影响，严重时可能造成机毁人亡的惨痛事故。
[0003]为了减轻结冰对飞机性能带来的不利影响，保障飞行的安全，现代飞机都配备了防/除冰系统。当前飞机上使用最为广泛的是热防冰技术，该技术已成为现代飞机防冰系统发展的主流。其通过空气或电热方式对防护区进行加热，使表面温度能够维持在冰点温度之上。
[0004]目前发展的主流热防冰计算方法，通常需要先单独计算干空气流场，再加载水滴后，方能得到水滴流场与局部水收集系数，另外防冰热量是通过干空气流场下计算的表面热流，最后解能量方程才能得到防冰表面温度。

技术实现思路

[0005]基于以上问题，本专利技术提供基于连续水膜流动的稳态防冰仿真方法，其中空气
‑
水滴两相流场由商业软件直接计算得到，防冰热量通过加热功率直接赋值的方法，避免了多步计算的繁琐操作，从而快速实现对水膜流动范围以及防冰表面温度预测，为飞机防冰系统的设计与优化提供理论指导。
[0006]为解决以上问题，本专利技术提供基于连续水膜流动的稳态防冰仿真方法，包括如下步骤：
[0007]S1：根据部件的几何参数建立部件防冰两相流计算的计算域；
[0008]S2：采用商业软件对两相流计算域进行网格划分；
[0009]S3：通过求解商业软件CFX的欧拉/欧拉模型实现对两相流场的计算，将空气和水滴的控制方程基于同一套网格进行离散求解，其控制方程的表达式为：
[0010][0011]α
a
+α
w
＝1
[0012][0013][0014][0015][0016]M
a
＝
‑
M
w
[0017][0018][0019]其中下标γ分别表示不同的相，γ＝a、w分别表示空气相和水滴相；X
l
是笛卡尔坐标；l＝1、2、3分别对应表示笛卡尔坐标系下的X、Y、Z方向；U
γl
是γ相速度在l方向的速度；α
γ
是γ相的体积含量；ρ
γ
表示γ相的密度；U
γ
为γ相的湍流脉动速度；μ
γ
、μ
tγ
分别是γ相的分子粘性系数与湍流粘性系数；g为重力加速度；M
γk
是γ相所受拖曳力的k方向分量；d表示水滴直径，Re
w
表示水滴对空气的相对雷诺数；v
a
表示空气的动力粘度系数；C
D
为拖曳力系数；T
a
表示空气温度；Pr
a
、Pr
ta
分别表示空气的分子普朗特数和湍流普朗特数；σ表示空气相与水滴相湍流粘度的关联系数；
[0020]S4：由S3计算得到的两相流结果，求解控制体的局部水收集系数，表达式如下：
[0021][0022]其中α
w
表示壁面处水滴体积分数；U
∞
表示自由来流的速度大小；U
nw
表示水滴撞击到壁面时的法向速度大小；
[0023]S5：控制体内的质量守恒表达式如下：
[0024]m
in
+m
imp
＝m
out
+m
evap
[0025]其中m
in
表示上游控制单元流入的质量；m
imp
表示水滴撞击固体表面的质量；m
evap
为水膜蒸发的质量；m
out
为从当前微元控制体单元流出的质量；
[0026]m
imp
＝β
·
LWC
·
U
∞
[0027][0028][0029]其中h为对流换热系数；R
v
为水蒸气的气体常数；c
pw
为水的定压比热容；为相对湿度；T
w
为防冰表面温度；T
∞
为自由来流的温度；p
sw
为水膜表面的饱和水蒸气压力；p
s∞
为自由来流的水蒸气饱和压力；
[0030]赋值防冰表面温度后，便求解得到所有质量项；
[0031]S6：控制体内的能量守恒表达式如下：
[0032]H
in
+Q
imp
+Q
anti
＝H
out
+Q
evap
+Q
conv
[0033]其中H
in
为上游控制体流入当前控制体的能量；Q
imp
为水滴撞击到防冰表面的能量；Q
anti
为防冰热量；H
out
为离开控制体的能量；Q
evap
为水膜蒸发失去的能量；Q
conv
为水膜与空气
的对流换热量；
[0034]由S5解得的各质量项，求解各能量项的大小，各项表达式如下：
[0035]H
in
＝m
in
c
pw
T
w,in
[0036]Q
imp
＝m
imp
(c
pw
T
∞
+0.5U
∞2
)
[0037]H
out
＝m
out
c
pw
T
w
[0038]Q
evap
＝m
evap
(c
pw
T
w
+L
evap
)
[0039]Q
conv
＝h(T
w
‑
T
∞
)
[0040]其中T
w,in
为上游控制体的壁面温度；
[0041]由能量守恒关系，得到新的防冰表面温度，其表达式如下：
[0042][0043]当的计算值小于允许误差0.01℃，认为由能量守恒关系式解得的防冰表面温度是合理的，结果收敛，即为防冰表面温度T
w
；若的计算值大于允许误差0.01℃，取防冰表面温度为作为新的初始赋值，求解质量守恒关系式，再求解能量守恒关系式，直至达到收敛条件。
[0044]与现有技术相比，本专利技术的有益成果为：首先将空气和水滴流场通过使用同一套网格以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于连续水膜流动的稳态防冰仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据部件的几何参数建立部件防冰两相流计算的计算域；S2：采用商业软件对两相流计算域进行网格划分；S3：通过求解商业软件CFX的欧拉/欧拉模型实现对两相流场的计算，将空气和水滴的控制方程基于同一套网格进行离散求解，其控制方程的表达式为：α
a
+α
w
＝1＝1＝1＝1M
a
＝
‑
M
ww
其中下标γ分别表示不同的相，γ＝a、w分别表示空气相和水滴相；X
l
是笛卡尔坐标；l＝1、2、3分别对应表示笛卡尔坐标系下的X、Y、Z方向；U
γl
是γ相速度在l方向的速度；α
γ
是γ相的体积含量；ρ
γ
表示γ相的密度；U
γ
为γ相的湍流脉动速度；μ
γ
、μ
tγ
分别是γ相的分子粘性系数与湍流粘性系数；g为重力加速度；M
γk
是γ相所受拖曳力的k方向分量；d表示水滴直径，Re
w
表示水滴对空气的相对雷诺数；v
a
表示空气的动力粘度系数；C
D
为拖曳力系数；T
a
表示空气温度；Pr
a
、Pr
ta
分别表示空气的分子普朗特数和湍流普朗特数；σ表示空气相与水滴相湍流粘度的关联系数；S4：由S3计算得到的两相流结果，求解控制体的局部水收集系数，表达式如下：其中α
w
表示壁面处水滴体积分数；U
∞
表示自由来流的速度大小；U
nw
表示水滴撞击到壁面时的法向速度大小；S5：控制体内的质量守恒表达式如下：m
in
+m
imp
＝m
out
+m
evap
其中m
in
表示上游控制单元流入的质量；m
imp
表示水滴撞击固体表面的质量；m
evap
为水膜蒸发的质量；m
out
为从当前微元控制体单元流出的质量；m
imp
＝β
·
LWC
·
U
∞
其中h为对流换热系数；R
v
为水蒸气的气体常数；c
pw
为水的定压比热容；为相对湿度；T
w
为防冰表面温度；T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘蕾，王彪，陈天祥，虞冬寅，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：