【摘要】：飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重威脅飛行安全,由于結(jié)冰引起的安全事故屢見(jiàn)不鮮,為了保證飛行安全,大部分飛機(jī)均設(shè)計(jì)和安裝了結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)。電熱防冰系統(tǒng)憑借其可靠性高、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn),成為目前飛機(jī)上最常用的防冰技術(shù)之一。為了促進(jìn)我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展,滿足國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制需求,開(kāi)展電熱防冰系統(tǒng)性能分析方法研究,對(duì)于指導(dǎo)電熱防冰系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和取得飛機(jī)防護(hù)系統(tǒng)的適航認(rèn)證具有重要意義。本文研究電熱組件工作時(shí)蒙皮表面的溫度和溢流水的分布特性,針對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)和撞擊特性的數(shù)值模擬方法,分別介紹了二維拉格朗日和三維歐拉的水滴撞擊特性計(jì)算方法,本文采用歐拉法(Eluer),基于Fluent軟件開(kāi)發(fā)UDF函數(shù),完成三維水滴撞擊特性的計(jì)算,為帶電熱防冰系統(tǒng)的蒙皮外部熱流計(jì)算提供輸入條件;采用邊界層積分法計(jì)算蒙皮外表面局部對(duì)流換熱系數(shù),并考慮結(jié)冰表面粗糙度的影響,通過(guò)對(duì)結(jié)冰表面粗糙度形成的原因進(jìn)行分析,針對(duì)層流和湍流情況分別采用不同的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,提高結(jié)冰模型的計(jì)算精度;基于結(jié)冰外表面的熱流計(jì)算方法建立電熱系統(tǒng)工作時(shí)結(jié)冰表面的一維耦合傳熱模型,并將一維模型推導(dǎo)至二維模型,使用焓法簡(jiǎn)化二維耦合傳熱模型,最終建立基于二維Messinger模型的耦合傳熱特性分析方法,采用本文建立的耦合傳熱分析方法,計(jì)算電熱防冰系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)的表面溫度和溢流水的分布情況,并對(duì)表面熱流分布和加熱區(qū)外的結(jié)冰情況進(jìn)行分析。
【圖文】：

僅僅使用冰核模型并不足以徹底解釋清飛機(jī)結(jié)冰原因。熱力學(xué)理論：水滴結(jié)冰不僅僅與環(huán)境溫度有關(guān)，它還受水滴曲率、冰核等因素影響穿過(guò)云層時(shí)，懸浮在空氣中的水滴撞在飛機(jī)表面。撞擊的瞬間，水滴破裂，曲率減增大。附著在飛機(jī)表面的極薄的水膜在極短的時(shí)間內(nèi)將來(lái)自相變的熱量帶走，這樣表面的水滴迅速結(jié)冰。結(jié)合冰核理論和熱力學(xué)理論可以很好的解釋過(guò)冷水滴在云層中不結(jié)冰，而撞擊在飛立刻結(jié)冰的原因。研究人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了飛機(jī)結(jié)冰數(shù)值模擬方法，這為結(jié)冰及防護(hù)提供了新的平臺(tái)。.3 飛機(jī)結(jié)冰冰形研究人員在總結(jié)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)飛機(jī)在不同氣象條件下飛行時(shí)，其表面上結(jié)千差萬(wàn)別，這些冰形對(duì)飛機(jī)的飛行性能也有不同的影響，而探究冰形對(duì)氣動(dòng)特性的評(píng)估飛行安全格外重要。一般而言，結(jié)冰的冰形主要有三類(lèi)，分別是：明冰(Glaze Ic冰(Rime Ice)，霜冰(Mixed Ice)。如圖 1.1 所示，，該組冰形圖由 NASA[1]在結(jié)冰風(fēng)洞結(jié)所得：

特點(diǎn)并且相輔相成。⑴飛行試驗(yàn)：飛行器在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段，在實(shí)際氣象條件下進(jìn)行飛行試驗(yàn)，是驗(yàn)證飛除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能及取得適航認(rèn)證的必經(jīng)過(guò)程，是對(duì)防除冰系統(tǒng)性能檢測(cè)最有效的途行試驗(yàn)可以有效的比較理論設(shè)計(jì)和實(shí)際工作時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)的差別，方便進(jìn)一步改良防系統(tǒng)，并為未來(lái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。飛行試驗(yàn)有一些缺陷，如：實(shí)際飛行時(shí)很難遇到所期望的工況，且由于氣象條件的多變難較長(zhǎng)時(shí)間維持特定工況，并為數(shù)據(jù)的測(cè)量帶來(lái)困難，難以獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。飛行試驗(yàn)氣象條件多變或難以達(dá)到期望的工況而不得不中斷或推遲，需要消耗大量的時(shí)間與經(jīng)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)冰試飛時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)冰對(duì)飛行安全危害極大，甚至可能引發(fā)安全事故，對(duì)飛行求較高。⑵冰風(fēng)洞試驗(yàn)：在結(jié)冰風(fēng)洞中模擬一定的氣象環(huán)境，研究飛機(jī)的結(jié)冰以及結(jié)冰對(duì)飛行響。冰風(fēng)洞與傳統(tǒng)的風(fēng)洞類(lèi)似，不同的是需要使用諸如噴霧設(shè)備、制冷設(shè)備來(lái)模擬所需結(jié)冰氣象環(huán)境。與飛行試驗(yàn)相比，它更容易達(dá)到并長(zhǎng)時(shí)間維持一特定工況，有效降低試本和風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)量精度較高，能得到相對(duì)可信的數(shù)據(jù)。圖 1.2 是一典型的閉式冰風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖：
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V244.15

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本文編號(hào)：2655770