发动机进气帽罩防冰热载荷的数值模拟研究_刘华

1 引言
翼、 尾翼的前缘， 风挡玻璃， 进气道前缘及发动机进 气部件(支撑、 整流罩等))都会积冰， 另外暴露在飞机 温度的传感头等)也会积冰。这些部件的积冰， 会影 响飞机的安全飞行[1]。 外部的测量传感器(如皮托管、 测高度的传感头及测 飞机在结冰气象条件下飞行时， 许多部件(如机
ONERA 的积冰模拟软件等)[2]， 建立了一些大型的冰 风洞[3]。西方一些航空发达国家在上世纪 70 年代就 拥有了较为完备的防冰系统设计体系， 对发动机防 冰能力提出了明确要求： 不论发动机是否设计了防 冰系统， 都必须通过特定结冰环境下的防冰能力考 核验证。这些国家在结冰环境参数确定、 发动机水 摄取率计算、 水撞击特性计算、 防冰表面热平衡分 析、 冰聚集量预估、 飞行循环分析等方面都有成熟的 计算软件支持， 可进行详细、 准确的分析和计算。 目前， 我国的防冰系统设计还处于借鉴国外防 冰系统设计结构的水平， 仅能进行较为初步的防冰 系统流动与传热方案计算。对飞机结冰的研究， 主
Fig.3 Velocity contour of flow-fields with Standard k - ε model 图 3 Standard k - ε 模型下流场速度云图
3.2 水滴轨迹计算 在计算帽罩表面局部撞击效率之前， 首先计算 水滴运动轨迹。 在 FLUENT 中， 可采用离散项模型来计算水滴
4.1 热流分析 水滴撞击帽罩的范围为防冰热载荷计算区域。 水滴撞击帽罩表面后， 一部分水蒸发， 另一部分水沿 帽罩表面向后流动， 并在其表面形成水膜。将帽罩 分为若干个微元段， 取其中一个微元段进行热平衡 分析， 建立能量守恒方程和连续方程。
m ̇ in + m ̇ imp = m ̇ out + m ̇ evap
微元段的连续方程为：
Fig.4 Trajectories of water droplets with Standard k - ε model
图 4 Standard k - ε 模型下水滴轨迹图
m m 式中： ̇ in为流入该微元段的质量流量密度； ̇ imp 为水
(3)
3.3 帽罩表面水滴局部撞击效率计算 局部撞击效率 β 用于表征撞击水量在水滴撞击 范围沿表面的分布情况， 定义为微元表面上实际水 撞击效率与最大可能水撞击效率的比值， 即： dy β= 0 (2) ds dy 0 为相邻两条水滴轨迹的起始纵坐标的差 式中：
LIU Hua， GUO Wen， YANG Jun， LOU De-cang
ENT software is used to simulate the flow-field of cowl and the trajectories of water droplets are calculated by employing Discrete Phase Model of FLUENT. The local impingement efficiency of water drops is gained
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第 25 卷 第 1 期 2012 年 2 月
燃气涡轮试验与研究 Gas Turbine Experiment and Rese., 2012
严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 刘 华， 文， 杨 军， 娄德仓 严严 严严严严严严严严严严严严严 严严严 严严郭 严严严 严严严 严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 (中国燃气涡轮研究院， 成都 610500) 严严 严严严严严严严严严严严严严严 严严严严严严严严严严四川 严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严 严严 严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严
v∞ β × LWC ， v∞为水滴来流速度； m ̇ out 为流出该微元段 m 的质量流量密度； ̇ evap 为该微元段上蒸发的质量流
滴撞击在该微元段上的质量流量密度， 且m ̇ imp =
3 帽罩表面水滴撞击特性计算
3.1 外部流场计算 在利用 FLUENT 计算流场时， 将气流的流动视 为二维定常可压粘性流动。 本文将分别采用 Standard k - ε 模型、 RNG k - ε 模型及 Realizable k - ε 模型进行流场计算， 对比分析 不同模型下的计算差异。计算中方程用一阶迎风格 式进行离散， 压力速度耦合采用 SIMPLE 算法。 Standard k - ε 模 型 下 计 算 流 场 结 果 如 图 3 所 示。由图中可看出， 速度在驻点处最小， 沿帽罩表面 向后呈逐渐增大的趋势。
由飞机结冰问题而引发的飞行事故屡次发生， 给生命和财产造成巨大损失。国外早在上世纪 30～40 年代就已开始重视防冰问题， 并取得长足进 展。目前， 国外已开发出多种结冰计算软件(如美国 NASA 的 LEWICE、 加 拿 大 的 FENSAP-ICE、 法国
收稿日期： 2011-03-07； 修回日期： 2011-12-06 作者简介： 刘
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刘
华等： 等发动机进气帽罩防冰热载荷的数值模拟研究
第1期
另一部分水滴则发生绕流现象。这是因为水滴的惯 性比空气大得多， 其绕过帽罩运动轨迹的曲率比空 气流线小， 从而导致一部分水滴撞击在帽罩表面 上。从图中还可获得水滴撞击范围， 即上、 下两条与 帽罩表面相切的水滴轨迹之间的帽罩表面。
4 防冰热载荷的计算
要： 对某发动机进气帽罩防冰热载荷的计算方法进行研究。利用 FLUENT 软件对帽罩周围的流场进行模拟， 同
Numerical Investigation of Anti-Icing Thermal Loads for Engine Inlet Cowl
Abstract：Calculating methods of anti-icing thermal loads of an engine inlet cowl are investigated. FLU⁃ with the trajectories. Then the anti-icing thermal loads of cowl is achieved by analyzing the heat fluxes in⁃ volved in the energy exchange on the surface with the results of numerical investigation and empirical rela⁃ tion formulas. Thermal loads of different turbulence models are also compared. numerical simulation Key words： cowl； local impingement efficiency； anti-icing thermal loads； turbulence models； (China Gas Turbine Establishment， Chengdu 610500， China)
2 计算模型与计算条件
本文的研究对象是某发动机锥形进气帽罩。由 于帽罩内部结构形状对帽罩外部热载荷计算影响不 大， 故可将其结构简化， 如图 1 所示。在帽罩的外部 模型。其计算区域如图 2 所示， 从帽罩的驻点向前 取 3 倍帽罩轴向长度为速度进口边界， 向后取 5 倍轴 向长度为压力出口边界， 向上、 向下各取 0.4 倍轴向 流场计算中， 取过帽罩轴线的二维截面结构为计算
发动机进气帽罩防冰热载荷的数值模拟研究
摘
时采用 FLUENT 中的离散相模型计算帽罩周围的水滴运动轨迹， 得到帽罩表面的水滴撞击效率； 利用数值计算结果 及流动换热经验关系式分析帽罩表面的各项热流， 获得该发动机帽罩的防冰热载荷。计算中还比较了不同湍流模型 对防冰热载荷的影响。 关键词： 帽罩； 局部撞击效率； 防冰热载荷； 湍流模型； 数值模拟 中图分类号： V244.1+5 文献标识码： A 文章编号： 1672-2620 (2012) 01-0044-05
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运动轨迹。空气流场作为连续相， 水滴作为空气流 场中的离散相， 两相之间存在动量、 质量及能量交 换。当水滴穿过空气流场运动时， 其轨迹可通过当
地空气作用在水滴上的各种平衡作用力计算获得。
图 1 帽罩结构示意图 Fig.1 Cowl structure
不考虑水滴对空气流场的影响， 水滴运动方程为： du p 18μ C D Re = (u - u p ) (1) ρ p d p 24 dt
华(1986-)， 女， 江西人， 硕士研究生， 主要从事航空发动机空气系统设计和零件热分析研究。
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燃气涡轮试验与研究