本文關鍵詞：飛機蒙皮溫度場及局部結冰過程數值仿真

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【摘要】：隨著高速飛機及紅外特性的發(fā)展需求,飛機蒙皮表面溫度場的計算越來越受到重視,通常的蒙皮表面溫度場的計算往往僅考慮外部氣動環(huán)境,這與實際蒙皮整體熱環(huán)境不太相符,因此需要建立合理的熱分析模型與計算方法對蒙皮的溫度場及影響因素進行分析。此外,當飛機表面溫度較低或者出現(xiàn)氣動冷卻時,在某些迎風表面處可能會產生結冰現(xiàn)象,進而危害飛行安全。因此在進行飛機整體熱環(huán)境分析時,了解飛機蒙皮溫度場的影響機制,也是飛機結冰預測的前提條件之一。本文針對大型飛機的熱分析與防結冰技術的需求,通過將外部熱環(huán)境視為第三類浮動的熱邊界條件,實現(xiàn)內、外熱環(huán)境耦合,并建立了防冰條件下部件表面流動換熱的計算模型,開展了結冰冰型的數值預測研究。通過熱分析研究,對影響蒙皮溫度場的機制特性進行分析,獲得了太陽輻照、外部對流換熱、內部熱源大小及布置方式影響的量化數據;通過防結冰研究,對飛機機翼及發(fā)動機唇口的局部結冰現(xiàn)象進行了預測分析�；诖�,本文圍繞該背景主要完成了以下工作:通過對大型復雜飛機表面溫度場耦合傳熱的機制分析,建立了結構與流場耦合換熱的數理模型,將外部的氣動對流換熱視作浮動第三類熱邊界以實現(xiàn)流固耦合換熱的間接解耦計算,基于CFX平臺軟件完成外部熱環(huán)境計算,并結合Sinda/Fluint軟件平臺,采用熱網絡法聯(lián)合蒙特卡洛法,開展不同復雜熱邊界條件外耦合系統(tǒng)結構間的耦合傳熱研究。最后以某型飛機為例通過數值模擬對該方法驗證其可靠性與準確性,并在此基礎上考察分析了影響內外耦合換熱的各種綜合因素,包括太陽輻照、內部熱源功率及設備結構布置等對蒙皮表面溫度場的影響�；贑FX的Continuous/Particle流體模型求解水滴的運動方程,跟蹤水滴軌跡,編制程序提取相關軌跡信息,實現(xiàn)了水滴撞擊特性的拉格朗日法計算。并基于上述方法對二維翼型的局部水滴收集系數進行算例驗證,然后在此基礎上完成對部件結冰的數值研究。由準穩(wěn)態(tài)的熱、質守恒關系建立了結冰部件表面的熱力學模型,通過編制相關程序實現(xiàn)對提取的CFX流場結果進行后處理得到預測冰型,并對典型翼型算例進行可靠性驗證。最后,根據上述方法完成對翼型和發(fā)動機唇口結冰冰型預測,并對其結冰特性進行分析,在此基礎上進一步研究了不同來流溫度、飛行馬赫數、液態(tài)水含量對飛機表面局部結冰的影響。通過上述研究,為大型飛機的熱分析與防結冰技術的性能評估提供了有價值的參考依據。
【關鍵詞】：飛機 蒙皮溫度場 耦合換熱 熱邊界 結冰預測模型
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V321.229;V219
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題研究背景和意義11
• 1.2 飛機蒙皮溫度場的國內外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3 飛機結冰數值研究現(xiàn)狀14-19
• 1.3.1 飛機結冰簡介14-15
• 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3.3 國內發(fā)展現(xiàn)狀17-19
• 1.3.4 當前結冰研究中存在的問題19
• 1.4 本文主要研究內容19-21
• 第2章 數理模型及計算方法21-47
• 2.1 飛機蒙皮熱狀況的物理形成機制21
• 2.2 溫度場分析的基本原理與算法21-23
• 2.3 蒙皮外部氣動熱分析的有限體積法23-27
• 2.3.1 外流場氣動熱的守恒方程及離散23-25
• 2.3.2 湍流對流模型25-27
• 2.4 內外耦合熱分析的熱網絡法27-30
• 2.4.1 蒙皮耦合熱網絡方程的建立27-28
• 2.4.2 內外耦合換熱的處理方法28-30
• 2.5 耦合熱分析建模30-33
• 2.5.1 氣動外形建模31
• 2.5.2 內部幾何結構建模31-32
• 2.5.3 機身及內部熱網絡建模32-33
• 2.6 結冰預測數值模擬方法研究33
• 2.7 空氣-過冷水滴流場的計算方法33-35
• 2.8 表面水滴撞擊特性的計算方法的研究35-39
• 2.8.1 基本概念35-36
• 2.8.2 基于拉格朗日法建立的水滴運動方程36-38
• 2.8.3 局部水滴收集系數的計算方法38-39
• 2.9 部件表面結冰的熱力學模型及求解方法39-46
• 2.9.1 結冰表面的熱、質輸運分析39-43
• 2.9.2 基于結冰預測的表面局部對流換熱系數的計算43-44
• 2.9.3 結冰模型求解方法及分析44-46
• 2.10 本章小結46-47
• 第3章 蒙皮溫度場分析47-66
• 3.1 蒙皮外部氣動熱計算47-52
• 3.1.1 外部氣動網格劃分及網格無關性驗證47-49
• 3.1.2 邊界條件與遠場、物性選取49-52
• 3.2 耦合熱分析邊界計算結果52-60
• 3.2.1 蒙皮絕熱溫度分布52-55
• 3.2.2 氣動對流換熱系數的提取與影響因素分析55-57
• 3.2.3 太陽輻射對蒙皮溫度場影響研究57-59
• 3.2.4 相關結論59-60
• 3.3 內外耦合表面溫度場的計算60-62
• 3.4 內部熱源功率對蒙皮表面溫度場的影響62-63
• 3.5 熱源結構布置對蒙皮表面溫度場的影響63-65
• 3.6 本章小結65-66
• 第4章 部件表面結冰數值研究66-81
• 4.1 結冰數值計算方法的研究66-67
• 4.2 結冰模型及數值模擬方法的驗證及分析67-73
• 4.2.1 局部水滴收集系數計算方法驗證及影響因素分析67-70
• 4.2.2 結冰表面對流換熱系數處理方法驗證及分析70-71
• 4.2.3 冰型預測的驗證71-73
• 4.3 機翼表面結冰的計算研究73-76
• 4.3.1 不同來流溫度對機翼表面結冰的影響研究74-75
• 4.3.2 飛行馬赫數對機翼表面結冰的影響研究75-76
• 4.3.3 液態(tài)含水量對機翼表面結冰的影響研究76
• 4.4 發(fā)動機唇口結冰的計算研究76-80
• 4.4.1 不同來流溫度對唇口結冰冰型的影響研究78-79
• 4.4.2 飛行馬赫數對唇口結冰冰型的影響研究79
• 4.4.3 液態(tài)水含量對唇口結冰冰型的影響研究79-80
• 4.5 本章小結80-81
• 結論81-82
• 參考文獻82-87
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果87-89
• 致謝89

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