短艙防冰系統(tǒng)防冰性能計(jì)算方法的工程應(yīng)用

華銳睿+李志茂+譚正文+徐佳佳

【摘 要】適航條款要求，民用飛機(jī)必須能在附錄C確定的連續(xù)和間斷的最大結(jié)冰狀態(tài)下安全運(yùn)行。必須通過(guò)分析確認(rèn)，飛機(jī)在各種運(yùn)行形態(tài)下其各種部件的防冰是足夠的。因此，應(yīng)確定結(jié)冰條件下，短艙防冰系統(tǒng)防冰性能是足夠的。本文利用上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的CFD數(shù)值模擬方法，在CCAR25 附錄C規(guī)定的結(jié)冰條件下，選取性能計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)，對(duì)某型短艙防冰系統(tǒng)防冰性能進(jìn)行評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；短艙防冰；結(jié)冰條件

【Abstract】According to airworthiness standards， civil airplane must be able to safely operate in the continuous maximum and intermittent maximum icing conditions of appendix C. An analysis must be performed to establish that the ice protection for the various components of the airplane is adequate. To evaluate the performance of specific engine nacelle anti-icing system in icing conditions of appendix C， this paper utilize A CFD method developed by Shanghai Aircraft Design and Research Institute.

【Key words】Civil airplane； Nacelle anti-icing； Icing conditions

0 引言

飛機(jī)在結(jié)冰條件下飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道會(huì)發(fā)生結(jié)冰。如進(jìn)氣道內(nèi)的冰層發(fā)生脫落，則會(huì)隨氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)，從而打傷發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，造成壓氣機(jī)的機(jī)械損傷或?qū)е掳l(fā)動(dòng)機(jī)損壞，影響飛機(jī)的飛行安全。目前，現(xiàn)有的商用運(yùn)輸類飛機(jī)中，普遍利用從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引出的熱空氣來(lái)對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行防冰[1]。

CCAR25部1419條款規(guī)定，如果申請(qǐng)帶有防冰設(shè)施的合格審定，飛機(jī)必須能在附錄C確定的連續(xù)和間斷的最大結(jié)冰狀態(tài)下安全運(yùn)行。為確認(rèn)這一點(diǎn)，必須通過(guò)分析確認(rèn)，飛機(jī)在各種運(yùn)行形態(tài)下其各種部件的防冰是足夠的[2]。

本文利用上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的數(shù)值模擬方法，選取性能計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)，對(duì)某飛機(jī)短艙防冰系統(tǒng)的防冰性能進(jìn)行評(píng)估。

1 計(jì)算方法

1.1 短艙防冰計(jì)算原理

短艙防冰系統(tǒng)防冰原理為：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙唇口處蒙皮外部熱載荷和內(nèi)部加熱熱流導(dǎo)致蒙皮內(nèi)外表面溫度差，在蒙皮中形成導(dǎo)熱熱流，通過(guò)導(dǎo)熱熱流，將防冰腔內(nèi)部加熱熱流傳遞到蒙皮外表面，使外表面溫度升高到冰點(diǎn)以上，達(dá)到防冰目的。

其中外部熱載荷可用公式表示為：

1.2 計(jì)算方法與思路

本文進(jìn)行的計(jì)算內(nèi)容包括：外部流場(chǎng)計(jì)算、水滴撞擊特性計(jì)算、防冰腔內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算以及防冰內(nèi)外表面耦合計(jì)算，最終得到發(fā)動(dòng)機(jī)短艙蒙皮表面溫度，評(píng)估系統(tǒng)的防冰性能。防冰計(jì)算具體流程如下：

1）使用ICEM軟件進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，包括外部流動(dòng)網(wǎng)格和內(nèi)部流動(dòng)網(wǎng)格；

2）使用FLUENT軟件進(jìn)行外流場(chǎng)和水滴撞擊特性計(jì)算，防護(hù)表面壓力系數(shù)、局部水收集系數(shù)等參數(shù)；

3）使用FLOWMASTER軟件進(jìn)行防冰管路一維流動(dòng)計(jì)算，得到笛形管射流噴口參數(shù)；

4）使用FLUENT軟件進(jìn)行防冰腔內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算，得到內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)；

5）使用FLUENT軟件UDF進(jìn)行內(nèi)外耦合計(jì)算，得到表面溫度分布。

具體計(jì)算流程如圖1所示：

1.3 短艙計(jì)算模型

1.3.1 防冰管路計(jì)算模型

防冰管路的流動(dòng)仿真計(jì)算通過(guò)FLOWMASTER軟件實(shí)現(xiàn)，具體方法為：將防冰管路的3D模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)邊界條件，計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)末端笛形管各噴孔處的溫度、壓力參數(shù)。防冰管路的FLOWMASTER網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

1.3.2 短艙防冰系統(tǒng)計(jì)算模型

飛機(jī)外流場(chǎng)和防冰腔內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算采用ICEM軟件繪制，外流場(chǎng)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)300萬(wàn)，防冰腔內(nèi)流場(chǎng)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)965萬(wàn)，在笛形管噴孔區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，3D模型和網(wǎng)格剖面見圖3。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算狀態(tài)說(shuō)明：

本文利用上述短艙防冰系統(tǒng)防冰性能計(jì)算方法，選取CCAR25 附錄C規(guī)定的結(jié)冰條件下的計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)，對(duì)短艙防冰系統(tǒng)在連續(xù)最大結(jié)冰條件下和間斷最大結(jié)冰條件下的防冰性能進(jìn)行分析，評(píng)估短艙防冰系統(tǒng)的防冰性能。

本文分別在連續(xù)最大結(jié)冰條件下和間斷最大結(jié)冰條件下選取2個(gè)不同飛行高度、飛行速度、液態(tài)水含量的狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行短艙防冰性能分析。具體參數(shù)詳見表1和表2。

3 計(jì)算結(jié)果

在防冰性能評(píng)估方面，通常使用防冰表面溫度作為性能指標(biāo)。

本文選取短艙蒙皮0°、90°、180°、225°、270°截面的表面溫度性能計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，選取的溫度截面位置如圖4所示。

不同狀態(tài)點(diǎn)下的計(jì)算結(jié)果如圖5-圖8所示，橫坐標(biāo)為蒙皮外表面的弧長(zhǎng)，s=0代表短艙前緣幾何駐點(diǎn)，s為負(fù)值時(shí)代表進(jìn)氣道唇口內(nèi)表面，s為正值時(shí)代表進(jìn)氣道唇口外表面。

通過(guò)該計(jì)算結(jié)果可以看出，利用該計(jì)算方法得到的短艙蒙皮表面溫度值均高于0℃；且發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)側(cè)（s值為負(fù)值）表面溫度較外側(cè)高，原因是笛形管噴口朝向短艙內(nèi)側(cè)蒙皮表面。

4 結(jié)論

本文利用上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的短艙防冰系統(tǒng)防冰性能計(jì)算方法，選取連續(xù)最大結(jié)冰條件下以及間斷最大結(jié)冰條件下的計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)，對(duì)某飛機(jī)短艙防冰系統(tǒng)的防冰性能進(jìn)行了評(píng)估。計(jì)算結(jié)果顯示，在選取的計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)下，短艙蒙皮表面溫度值均高于0℃，各截面整體溫度分布趨勢(shì)與預(yù)期結(jié)果一致。計(jì)算結(jié)果表明短艙防冰系統(tǒng)在選取計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)下滿足防冰性能。該數(shù)值仿真方法可作為后續(xù)短艙防冰系統(tǒng)性能評(píng)估的工具，指導(dǎo)短艙防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。

【參考文獻(xiàn)】

[1]裘燮綱，韓鳳華.飛機(jī)防冰系統(tǒng)[M].航空專業(yè)教材編審組出版，1985，6.

[2]CCAR25-R3中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)：中國(guó)民用航空局，2001.

[責(zé)任編輯：湯靜]