《考慮水膜破裂的機翼熱氣防冰系統傳熱耦合特性研究》是依託北京航空航天大學，由卜雪琴擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：考慮水膜破裂的機翼熱氣防冰系統傳熱耦合特性研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：卜雪琴
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
飛機防冰是一個複雜的熱力學多場耦合物理現象。熱氣防冰表面一方面受到外部氣流、水滴撞擊和蒸發的影響；另一方面防冰腔內部熱氣噴射的複雜三維流動對表面加熱，使得熱氣防冰系統的內外傳熱耦合特性較複雜。目前對於三維熱氣防冰系統內外傳熱耦合特性的認識不深，計算方法不成熟。此外，防冰表面溢流水的流動形態變化受氣動力、表面張力、表面浸潤性等多方面因素的影響，從水膜過渡到溪狀流，表面潤濕係數不同，這對防冰表面傳熱耦合特性影響較大。項目通過理論分析和數值計算，對考慮溢流水破裂現象的機翼熱氣防冰系統內部熱氣、蒙皮、溢流水、外部空氣多相傳熱耦合特性進行研究。深入地認識三維防冰加熱表面水膜運動及破裂的臨界條件、溪狀流的動力學和熱力學特性；建立內外傳熱耦合計算表面溫度的預測模型和強固耦合數值模擬方法。通過本項目的研究，可更好地掌握三維防冰表面溢流水流動破裂特性及對防冰傳熱耦合特性的影響，有利於防冰系統的設計與最佳化。
結題摘要
飛機防冰是一個複雜的熱力學多場耦合物理現象。熱氣防冰表面一方面受外部氣流、水滴撞擊和蒸發的影響；另一方面防冰腔內部熱氣噴射的複雜三維流動對表面加熱，使得熱氣防冰系統的內外傳熱耦合特性較複雜。由於申請本項目時國內對於三維熱氣防冰系統內外傳熱耦合特性的認識不深，計算方法不成熟。此外，防冰表面溢流水的流動形態變化從水膜過渡到溪狀流，表面潤濕係數不同，這對防冰表面傳熱耦合特性影響較大。因此，本項目對考慮溢流水破裂現象的機翼熱氣防冰系統內部熱氣、蒙皮、溢流水、外部空氣多相傳熱耦合特性進行研究。研究中認識到防冰腔內部射流衝擊換熱特性對防冰系統熱力耦合有較大影響，因此對此也開展了研究。主要研究內容包括：（1）三維後掠翼防冰表面的水膜運動特性研究；（2）機翼防冰表面水膜破裂運動機理研究；（3）考慮溢流水破裂的三維後掠翼熱氣防冰系統多相傳熱耦合特性研究；（4）防冰系統內部複雜流動換熱特性研究。經過上述研究，本項目建立了三維表面溢流水水膜流動模型和溢流水量計算數值模擬方法；建立了防冰表面水膜破裂運動模型和數值求解方法；建立了熱氣防冰系統內外強固耦合方法預測壁面溫度模型和數值模擬方法；獲得了管壁距、噴口雷諾數、入射角度等因素對防冰系統內部換熱特性的影響規律。研究結果表明：（1）在空氣剪下力作用下的防冰表面水膜的流動受剪下力的方向和大小決定，在駐點處溢流水量存在極大值。所開發的水膜流動程式不僅能夠套用於三維後掠翼表面水膜計算，還能用於三維發動機進氣道唇口的計算；（2）在連續最大的結冰條件下，水膜破裂一般發生在撞擊極限位置。無量綱臨界水膜厚度受表面接觸角的影響較大，且隨著接觸角的增大臨界水膜厚度增大。某給定的結冰條件下，引入破裂模型後，溢流水的溢流範圍在兩個不同工況下分別增大了33%和17%，這會很大程度影響防冰熱載荷的分布；（3）開發了三維防冰系統內外傳熱耦合計算程式，結果顯示水膜破裂後，表面潤濕因子減小，溢流水蒸發量減小，導致防冰熱載荷減小，而防冰系統提供的過多的加熱熱流使壁面溫度升高；（4）噴口雷諾數Rej越大，射流衝擊換熱性能越好；弦向3孔射流壁面換熱特性呈單峰；在實驗範圍內，單孔垂直射流防冰系統表面，相對孔壁距H/d = 4.5時能夠使衝擊壁面的駐點換熱性能達到最好。通過本項目的研究，較好地掌握了三維防冰表面溢流水流動破裂特性及對防冰傳熱耦合特性的影響，有利於防冰系統的設計與最佳化。
