论文摘要：热气防冰系统数值仿真研究

飞机在结冰气象条件下飞行时，云层中的过冷水滴撞击到飞机表面会产生结冰。结冰导致的飞行事故时有发生，且一旦发生则损失惨重。为了保障飞机在结冰气候下的飞行安全，飞机上一般安装防/除冰系统。目前大飞机机翼和发动机采用的多是热气防冰系统，由于从发动机引气，也给其带来一定的代偿损失，因此设计有效并节能的热气防冰系统以减少发动机引气，一直是航空界的挑战之一。 地面试验耗时长、费用昂贵，加之一些结冰条件无法在冰风洞、飞行模拟结冰或自然结冰试验中得到，因此防冰系统数值仿真方法已经成为防冰系统预先设计阶段及认证阶段不可缺少的手段。防冰系统的设计主要包括所需供气流量的确定，笛形管管长、管径、热气喷口孔径、孔间距等结构参数的设计，以及防冰腔结构型式的设计。验证所设计的防冰系统能否满足防冰要求、引气量和引气温度是否合适，表面温度和溢流区是重要的衡量指标。 在我国大型客机的研制过程中，防冰系统作为飞机的重要部分，从初期防冰系统设计到后期防冰系统的性能分析，进而完成适航认证，都需要具备一定的理论技术对其进行支持。因此有必要研究一种高效的仿真方法，用来实现热气防冰系统的设计及防冰表面温度和表面水膜流动情况的预测，以检验所设计的防冰系统能否达到结冰气象条件设计要求。 本论文系统地对热气防冰系统设计及性能分析的数值仿真方法进行了研究，为防冰系统设计数值仿真技术在国内飞机防冰系统研制领域的广泛应用打下基础。本文的研究工作主要有以下几个方面：（1）建立防冰系统设计及性能分析的数值仿真总体思路。（2）对水滴撞击特性、外部对流换热系数、外部防冰热载荷和表面溢流水的计算模型和方法进行了研究。水滴撞击特性计算采用欧拉方法，外部对流换热系数计算采用附面层积分方法，防冰热载荷计算基于Messinger模型。研究了利用Fluent及其用户自定义函数UDF实现以上计算的方法。通过算例验证了模型及方法的正确性。（3）提出了三维防冰热载荷以及溢流水的计算方法，提出利用溢流水结果来分析防冰系统的表面温度设计值。对三维机翼的水滴撞击特性、防冰热载荷以及溢流水进行了计算，得到了防冰系统的表面温度设计值和飞行气象状态设计点。（4）研究了热气防冰系统设计和总体性能评价的方法，提出了一种合理实用的设计思路。基于一维热流体仿真平台Flowmaster，建立了防冰系统流量分配计算模型，对防冰系统笛形管的管径、热气喷口孔径、孔间距进行设计，并对其流量分配进行计算。研究了防冰腔内结构设计及防冰热效率计算方法。提出了供气余度参数进行防冰系统总体性能评价的方法。利用所提出的方法进行了某机翼防冰系统的设计，得到了最终的设计方案。（5）利用表面温度的预测来评估防冰系统的性能。研究考虑导热在内的防冰系统内外传热耦合计算表面温度的计算模型及方法。建立了二维电热防冰系统表面温度的数值计算模型，通过高斯-赛德尔迭代方法求解方程组。通过算例的验证计算说明了内外传热耦合计算模型和方法的有效性和正确性。（6）对三维热气防冰系统表面温度计算方法进行了研究，提出了内外强固传热耦合计算热气防冰表面温度的方法来评估热气防冰系统的防冰能力。研究了基于Fluent及UDF来实现热流边界条件的自动加载和防冰热载荷的更新计算，以推动迭代计算直到计算的收敛。对某三维热气防冰系统表面温度进行了实例计算，并给出了防冰系统的优化方案。（7）防冰系统分析软件的编制。为了使防冰系统数值仿真技术功能实用化，使前面提出的计算模型和方法能够在防冰系统研制和认证阶段中能广泛应用，方便非专业人员使用，本文研究了利用Fluent的UDF以及Journal文件实现防冰系统的模块化分析的方法。利用C#进行防冰系统分析软件界面的编制，Journal文件控制Fluent下各类条件和模型的设置、松弛系数的设定、UDF的编译和挂靠以及迭代的进行。软件实现了防冰系统设计仿真平台。 本文所研究的热气防冰系统设计和验证数值仿真方法和平台对飞机防冰系统的初期研制和后期认证具有重要的意义。

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