热防冰表面水膜流动换热与冰脊生成的数值研究

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1、中图分类号：V231.1论文编号：102870218-S110学科分类号：082502硕士学位论文热防冰表面水膜流动换热与冰脊生成的数值研究研究生姓名苏长明学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向发动机传热传质学指导教师胡娅萍副教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringNumericalStudyonFlowandHeatTransferof

2、WaterFilmandFormationofIceRidgesonHotSurfaceofAnti-icingAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbySuChangmingAdvisedbyAssociateProf.HuYapingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研

3、究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要飞机在云层中飞行时，过冷水滴撞击在飞机迎风表面后会失去稳定，从而发生结冰现象。飞机迎风表面结冰时不仅会增大飞机的重量，降低升阻比，严重时还可能酿成飞行事故。因此，研究飞机

4、结冰、防冰对确保飞行安全、提高飞机性能具有重要意义。防冰表面水膜的流动与传热对结冰、防冰性能具有重要影响，但目前国内外开发的计算软件大多基于二维Messinger模型，该模型没有考虑水膜的流动。现有的三维防冰计算软件也仅对水膜流动作简单处理，并没有建立水膜流动的动量方程。本文在考虑水膜流动的基础上，发展了三维结冰、防冰数学模型和计算方法，开发了三维结冰、防冰计算程序，并进行了结冰、防冰计算。首先，本文在已有的三维积冰计算模型的基础上，考虑了水膜的蒸发对积冰的影响，发展了相应的积冰计算方法，开发了考虑水膜蒸发的三维积冰计算程序。选取NACA001

5、2翼型作为研究对象，在公开发表文献的典型工况下，进行了积冰计算，并将计算结果与相同条件下的试验结果和其他结冰计算软件的数值结果进行了对比。结果表明，在本文计算条件下，蒸发吸收的热量占水膜总传热的百分比为35%，考虑水膜蒸发后，结冰量、结冰冰形和范围都与NASA试验结果更吻合，表明考虑水膜蒸发对结冰研究很有必要。其次，本文在给定防冰表面的加热热流密度的条件下，发展了三维防冰数学模型和计算方法。通过简化N-S方程得到水膜流动、传热控制方程，其中水膜的能量方程中保留对流项，考虑了水膜流动对水膜传热的影响。采用二阶迎风格式离散能量控制方程的对流项，发展

6、了防冰计算的数值解法，自主开发了三维防冰计算程序。最后，选取NACA0012翼型作为研究对象，在典型的工况下进行了防冰计算，得到了防冰热表面水膜随时间推进的发展过程以及防冰热表面的温度分布。计算结果表明，在热防护区，由于加热热流密度充足，防护区内水膜温度均在冰点以上，本文所计算的两个算例的水膜平均温度分别为4.5℃和5℃，与相同条件下NASA试验结果非常接近，该区域没有发生结冰现象。随着水膜向下游流动到未防护区时，其温度逐渐降低，直到冰点温度以下，并相应的在未防护区生成冰脊。关键词：结冰，防冰，水膜流动，水膜蒸发，冰脊i热防冰表面水膜流动换热与

7、冰脊生成的数值研究ABSTRACTWhenanaircraftfliesinthecloud,adropofcoldwaterhitstheplane'swindwardsurfaceandwilllosestability,resultinginiceaccretion.Oncetheplaneisfrozenonthewindwardsurface,itcannotonlyincreasetheweightoftheaircraft,andreducethelift-dragratio,butalsoleadtoaflightacci-de

8、nt.Therefore,itisofgreatsignificancetostudytheiceaccretionandanti-icingofth