飞机防/结冰表面的对流换热数值研究

admin · 发表于昨天 18:20

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飞行状态下，飞机表面结冰会严重影响其空气动力性能并导致大量的飞行事故。因此，飞行器在自然结冰条件下的飞行安全题目一直是航空工业普遍关心的重要题目。对流换热系数在冰形计算以及防除冰系统的设计验证中必不可少，对它预测的准确度将会对结冰量、结冰位置以及防除冰系统的加热位置和热流密度分布结果造成很大影响。因此本论文主要针对防冰/结冰表面对流换热系数的计算展开研究，应用附面层积分和CFD两种方法对粗糙壁面和电热防冰系统表面的对流换热系数进行了数值模拟。本文主要对计算对流换热系数的两种基本方法（附面层积分分析和CFD法）进行了深入研究，推导了附面层积分法求解对流换热系数的基本数学模型，详细介绍了CFD软件Fluent的常见湍流模型和换热模拟方法。采用CFD方法求解了粗糙圆柱表面的对流换热系数，并与附面层积分法的结果进行了比较。通过求解雷诺平均的Navier-Stokes方程计算流场分布，比较了两类湍流模型，一种是高雷诺数的k-ε湍流模型加壁面函数，其中在壁面函数中嵌入表面粗糙度的影响；另一种是低雷诺数的Spalart - Allmaras湍流模型和SST k-ω湍流模型，粗糙度直接嵌入在湍流输运方程中。经比较，S-A模型和SST k-ω模型在网格比较细密时计算的结果与附面层积分法具有相同的趋势，先经过一段类似层流的区域，再转入湍流区。在驻点附近的区域，S-A模型、SST k-ω模型以及RNG、Realizable k-ε模型比试验值偏小，只有标准k-ε模型的结果略微偏大；附面层积分法的结果在层流区域与试验值吻合良好，但湍流区域的结果却高于试验值。为了考察附面层积分法在防冰表面的运用情况，本文进一步对电热防冰系统表面的对流换热系数和温度分布进行了数值模拟，建立了考虑导热在内的防冰系统内外传热耦合计算表面温度的数学模型，介绍了防冰表面热载荷及溢流水的求解方法。利用附面层积分法预测电热防冰系统表面的对流换热系数，选取高斯-赛德儿迭代法求解能量方程组，通过编制程序得到对流换热系数、水滴溢流量和表面温度的数值计算结果。经与试验数据的比较，证明了本文用附面层积分法计算对流换热系数及内外传热耦合法预测表面温度的有效性和正确性。

飞机防/结冰表面的对流换热数值研究

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