本发明专利技术公开了一种考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法，首先计算机翼外部流场和水滴场，将流场和水滴场结果导出备用；然后计算防冰腔内部热气流动换热，得到蒙皮内表面换热系数并导出备用；接着对蒙皮导热进行迭代求解，其间每一迭代步需要计算水膜质量及能量守恒方程，并将外部净热流结果加载到蒙皮外表面，蒙皮内表面根据防冰腔内部热气流动换热结果设置为第三类边界条件。最后，在蒙皮导热计算的迭代过程中，蒙皮内外边界值也在不断变化更新，直到导热计算收敛，边界也基本不再发生变化，则认为防冰系统内外传热耦合计算收敛。算收敛。算收敛。
【技术实现步骤摘要】
考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法
[0001]本专利技术涉及飞机机翼热气防冰系统表面温度的监测，更特别地说，是指一种考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法。
技术介绍
[0002]飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时，环境中的过冷水滴撞击到机翼表面，迎风面可能发生局部结冰现象。机翼前缘结冰会改变机翼外形，破坏气动边界层，导致飞行阻力增加，升力下降，操纵性、稳定性下降，结冰情况严重时甚至会导致飞行事故。为了防止机翼结冰对飞机的飞行安全造成影响，通常安装防冰系统对机翼前缘进行防冰。防冰系统主要有热气防冰系统和电热防冰系统。由于热气防冰系统的原理简单且可靠性较高，目前绝大部分大型飞机的机翼采用热气防冰方式。
[0003]机翼热气防冰系统的研究主要分为实验研究和数值模拟。实验研究费时费力，而且无法模拟出所有飞行包线的结冰工况；而数值模拟则能相对快速预测防冰表面的温度分布，分析任意结冰工况下热气防冰系统的工作状态，能够为实验研究提供一定的指导。国内外开展了大量关于机翼热气防冰系统的数值模拟研究，用以评估热气防冰系统性能和指导热气防冰系统设计。Khalil研究了不同笛形管分布对机翼表面温度和对流换热的影响。李延等基于欧拉壁面液膜模型开展了三维热气防冰腔性能仿真计算研究。Pellissier等利用FENSAP
‑
ICE软件计算得到了机翼防冰表面温度和溢流水分布，并利用仿真结果对热气防冰系统进行优化。卜雪琴等基于FLUENT开发了一套三维热气防冰系统对后掠翼热气防冰系统的表面温度进行了数值仿真研究和性能评估。但是考虑到计算资源的限制，目前研究都是针对机翼局部的热气防冰系统进行模拟，在边界条件上进行了简化处理，未考虑整个防冰表面对计算区域造成的影响。
技术实现思路
[0004]本专利技术提出的一种考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法，是在外部环境流场和内部防冰腔计算的基础上，通过蒙皮内外传热耦合计算求解得到机翼蒙皮表面的温度和溢流水分布结果。考虑到相邻防冰区域溢流水对计算防冰区域的影响，提出了周期性溢流水边界条件，有效地改进了三维热气防冰系统表面温度计算结果，使其更加符合实际。
[0005]本专利技术的一种考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法，内外传热耦合计算单元(30)采用松散耦合计算方式；
[0006]内外传热耦合计算单元(30)的传热松散耦合计算包括有热气防冰表面热流项和水膜质量和能量守恒方程；
[0007]所述的热气防冰表面热流项包括有对流换热热流密度、蒸发散热热流密度和加热水所需要的热流密度；
[0008]对流换热热流密度表征为：
[0009][0010][0011]蒸发散热热流密度表征为：
[0012][0013][0014][0015]饱和水蒸汽压力可由下面计算式得到：
[0016][0017]根据道尔顿分压原理，附面层外边界处的水蒸汽分压力计算如下：
[0018][0019]加热水所需要的热流密度表征为：
[0020][0021][0022]水滴动能转换的热流密度表征为：
[0023][0024]防冰表面质量守恒方程表征为：
[0025][0026]防冰表面能量守恒方程表征为：
[0027]根据能量守恒定律，可得到防冰表面的能量守恒方程：
[0028][0029]本专利技术考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法的优点在于：
[0030]①
在对蒙皮导热进行迭代求解时，其间每一迭代步需要计算水膜质量及能量守恒方程，并将流场和水滴场的外部净热流MD
10
加载到蒙皮外表面，且作为蒙皮外表面的第二类边界条件，同时将蒙皮内表面换热系数MD
20
设置为蒙皮内表面的第三类边界条件。
[0031]②
本专利技术的内外传热耦合计算单元30采用松散耦合计算方式。
[0032]③
构建的防冰表面质量守恒方程和能量守恒方程利用了流入该控制容积的水的质量流量等于流出该控制容积的水的质量流量。
附图说明
[0033]图1是本专利技术考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法的流程图。
[0034]图2是热气防冰系统表面温度计算示意图。
[0035]图2A是热气防冰系统表面温度计算的结构框图。
[0036]图3是防冰表面的热流流向图。
[0037]图4是防冰表面控制容积的质量与能量守恒示意图。
[0038]图5是表面溢流水边界示意图。
[0039]图6是周期性溢流水边界条件示意图。
[0040]图7是防冰区域网格划分图。
[0041]图8是表面温度二维曲线图；其中(a)是位置1的表面温度二维曲线图；(b)是位置2的表面温度二维曲线图。
[0042]图9是溢流水结果二维曲线图；其中(a)是位置1的溢流水结果二维曲线图；(b)是位置2的溢流水结果二维曲线图。
[0043]图10是湿态防冰条件表面温度分布云图；其中(a)是未添加周期性溢流水边界图；(b)是添加周期性溢流水边界图。
[0044]图11是位置1处表面温度分布图。
[0045]图12是位置1处溢流水分布。
[0046]图13是位置2处表面温度分布图。
[0047]图14是位置2处溢流水分布。
具体实施方式
[0048]下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。
[0049]在本专利技术中，参见图1、2、图2A所示，热气防冰表面温度监测系统由外流场和水滴场计算单元10、内部防冰腔流动换热计算单元20和内外传热耦合计算单元30组成。
[0050]计算过程为：首先计算机翼外部流场和水滴场，将流场和水滴场的外部净热流MD
10
导出备用；然后计算防冰腔内部热气流动换热，得到蒙皮内表面换热系数MD
20
并导出备用；接着对蒙皮导热进行迭代求解，其间每一迭代步需要计算水膜质量及能量守恒方程，并将所述MD
10
加载到蒙皮外表面，且作为蒙皮外表面的第二类边界条件，同时将所述MD
20
设置为蒙皮内表面的第三类边界条件。最后，在蒙皮导热计算的迭代过程中，蒙皮内外边界值也在不断变化更新，直到导热计算收敛，边界也基本不再发生变化，则认为内外传热耦合计算单元30中进行的热气防冰表面温度内外传热耦合计算达到收敛，具体计算流程见图1。在本专利技术中，内外传热耦合计算单元30采用松散耦合计算方式。
[0051]参见图1所示的内外传热耦合计算单元30的传热松散耦合计算包括有热气防冰表面热流项和防冰表面质量和能量守恒方程。
[0052](一)热气防冰表面热流项
[0053]在本专利技术中，热气防冰表面热流项包括有对流换热热流密度、蒸发散热热流密度和加热水所需要的热流密度，如图2、图2A、图3所示。
[0054]蒙皮内外耦合计算主要思路为在蒙皮内外本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种考虑周期性边界的三维热气防冰系统表面温度计算方法，是在热气防冰表面温度监测系统中完成的；所述热气防冰表面温度监测系统是由外流场和水滴场计算单元(10)、内部防冰腔流动换热计算单元(20)和内外传热耦合计算单元(30)组成；其特征在于：所述内外传热耦合计算单元(30)采用松散耦合计算方式；内外传热耦合计算单元(30)的传热松散耦合计算包括有热气防冰表面热流项和水膜质量和能量守恒方程；所述的热气防冰表面热流项包括有对流换热热流密度、蒸发散热热流密度和加热水所需要的热流密度；对流换热热流密度表征为：热热流密度表征为：热热流密度表征为：为对流换热；h
s
为对流换热系数；T
s
为壁面温度；T
rec
为恢复温度；T
∞
为来流温度；r为比热比；Ma为马赫数；蒸发散热热流密度表征为：热流密度表征为：热流密度表征为：热流密度表征为：为蒸发散热能量；为蒸发质量通量密度；i
1v
为水的蒸发潜热；h
s
为对流换热系数；c
p，air
为空气比热容；Pr为普朗特数；Sc为施密特数，物理意义为动量扩散与质量扩散之比；M
v
为水蒸汽的分子质量；
M
air
为空气的分子质量；p
v，sat
(T
w
)为当地溢流水温下的饱和蒸汽压力；p
v,e
为附面层外边界处的当地水蒸汽压力；P
e
为附着面层外边界处空气总压；v为空气的运动黏度；μ为空气的动力黏度；D是扩散系数；ρ为空气的密度；饱和水蒸汽压力可由下面计算式得到：T为机翼的表面温度，单位为K；根据道尔顿分压原理，附面层外边界处的水蒸汽分压力计算如下：p
v,e
为附着面层外边界处的当地水蒸汽压力；P
e
为附面层外边界处空气总压；p
v,sat
(T
∞
)为来流温度下的饱和蒸汽压力；ρ
∞
为空气的相对湿度；是远场相对湿度；加热水所需要的热流密度表征为：水所需要的热流密度表征为：水所需要的热流密度表征为：为加热水所需要的热流密度；为撞击水的质量的通量密度；c
p，w
为水的比热；T
s
为壁面温度；T
∞
为来流温度；...
【专利技术属性】
技术研发人员：卜雪琴，黄平，林贵平，郁嘉，申晓斌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。