【摘要】：結(jié)冰氣象條件下,撞擊到飛行器迎風(fēng)表面上的過冷水滴會發(fā)生積冰現(xiàn)象,這對飛行安全會造成非常嚴(yán)重的危害。發(fā)生積冰的部件既包括靜止部件,如機翼、發(fā)動機唇口等,又包含旋轉(zhuǎn)部件,如旋翼、旋轉(zhuǎn)整流罩等。對于旋轉(zhuǎn)表面的積冰,哥氏力和離心力會對旋轉(zhuǎn)表面外部稀疏氣液兩相流以及表面上未凝結(jié)水形成的薄水膜的流動產(chǎn)生影響,這使得旋轉(zhuǎn)表面的積冰在物理過程上不同于靜止部件表面的積冰。在這樣的背景條件下,本文基于靜止部件外部稀疏氣液兩相流模型,發(fā)展了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的氣液兩相流模型及水撞擊計算方法;基于水膜流動的質(zhì)量、動量、能量守恒原理,發(fā)展了旋轉(zhuǎn)表面上薄水膜流動與積冰的數(shù)學(xué)模型;給出了數(shù)值模擬旋轉(zhuǎn)表面積冰過程的計算方法,開發(fā)了用于旋轉(zhuǎn)表面積冰數(shù)值模擬的軟件;數(shù)值模擬研究了旋翼表面的積冰規(guī)律;采用冰風(fēng)洞的試驗方法研究了旋轉(zhuǎn)整流罩表面的積冰現(xiàn)象。本文具體的研究工作分為:理論模型及計算方法研究,數(shù)值模擬研究和冰風(fēng)洞試驗研究。理論模型及計算方法研究:(1)發(fā)展了用于模擬旋轉(zhuǎn)部件外部稀疏氣液兩相流的歐拉-歐拉法兩相流模型,模型中考慮了離心力和哥氏力對空氣和水滴運動的影響。給出了兩種旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下壁面局部水收集系數(shù)的計算方法(穿透邊界法和第一層網(wǎng)格法)并對兩種方法進行了分析和對比。(2)通過對旋轉(zhuǎn)表面的未凝結(jié)水所形成的薄水膜進行質(zhì)量守恒,動量守恒,能量守恒以及相變過程的分析,建立了貼體非正交曲線坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)表面的薄水膜流動與積冰的數(shù)學(xué)模型,考慮了哥氏力和離心力對水膜流動的影響。同時給出了模型的求解方法和計算流程。(3)根據(jù)積冰計算流程,對兩相流模型和所建立貼體曲線坐標(biāo)系下的積冰模型采用模塊化的管理,開發(fā)了適用于旋轉(zhuǎn)表面薄水膜流動與積冰模擬的軟件。采用文獻中的試驗結(jié)果對所開發(fā)軟件模擬薄水膜流動和積冰的能力進行了驗證,結(jié)果表明所開發(fā)軟件能夠較好的模擬旋轉(zhuǎn)葉片這一類旋轉(zhuǎn)部件表面的薄水膜流動與積冰的現(xiàn)象。冰風(fēng)洞試驗研究:在小尺寸冰風(fēng)洞中研究了旋轉(zhuǎn)整流罩表面的積冰現(xiàn)象。發(fā)展了以高速攝影儀為記錄設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)處理方法以及誤差分析方法。發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)整流罩表面積冰冰形隨著轉(zhuǎn)速的增加從“不平整光滑明冰”,到“粒狀冰”,再到“羽毛狀冰”變化過程,揭示了整流罩表面未凝結(jié)的水膜在離心力的作用下產(chǎn)生的不穩(wěn)定波動導(dǎo)致“粒狀冰”和“羽毛狀冰”的生成的機理。利用試驗得到的結(jié)果對所開發(fā)的軟件進行驗證,結(jié)果表明軟件能夠能夠比較好的模擬旋轉(zhuǎn)整流罩表面的光滑的積冰(包括靜止整流罩以及旋轉(zhuǎn)整流罩駐點附近的積冰),但是當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流罩表面出現(xiàn)“粒狀冰”、“羽毛狀冰”時,本文所開發(fā)的軟件則不再適用。數(shù)值模擬研究:利用所開發(fā)的軟件數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)速對螺旋槳表面(旋翼一類的旋轉(zhuǎn)積冰部件)積冰的影響,揭示了轉(zhuǎn)速對螺旋槳表面的積冰規(guī)律的影響。螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以通過旋轉(zhuǎn)線速度和離心力來影響螺旋槳表面的薄水膜流動與積冰。轉(zhuǎn)速越大螺旋槳表面相同截面上的旋轉(zhuǎn)線速度越大,來流的水滴的慣性越大,截面上的水收集和水滴撞擊范圍越大,截面上的對流換熱系數(shù)也越大,從而導(dǎo)致截面上冰形厚度有增加的趨勢。然而轉(zhuǎn)速越大,離心力也越大,離心力會驅(qū)使水膜沿著展向流動,使得表面水的量變少,從而使得截面上的冰形厚度有變小的趨勢。但是離心力的影響比旋轉(zhuǎn)線速度的影響小。
【圖文】：

飛行器在飛行過程中，其迎風(fēng)表面會件是空氣中存在溫度低于冰點溫度（環(huán)水滴往往尺寸較小，作用其表面上的表，根據(jù)楊-拉普拉斯定理，毛細(xì)壓力大小1 21 1pR R ，大小為0.072 N /m，是物理常量，1 / 言 = = 。因此當(dāng)水滴直徑非常小而使得水滴的內(nèi)部壓力 = 遠(yuǎn)大力上升時，水的凝固溫度降低。因此對的凝固點（273.15K），其仍可以保持液

圖 1.2 飛機常見積冰部件 圖 1.3 旋翼積冰圖 1.4 發(fā)動機進口常見積冰部件除了飛行器表面，一些民用設(shè)施上也會發(fā)生類似的積冰現(xiàn)象，例如輸電線表面[4][5][6]和風(fēng)力渦輪表面[7]-[13]，，分別如圖 1.5 和圖 1.6 所示。同樣這些積冰部件也可以按照運動形式不同分成靜止積冰部件（輸電線）和旋轉(zhuǎn)積冰部件（風(fēng)力渦輪）。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V321.229

【參考文獻】

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本文編號：2706471