考虑水膜效应的防冰表面流动换热研究

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1、上海交通大学硕士学位论文考虑水膜效应的防冰表面流动换热研究硕士研究生：郑梅学号：1120209358导师：董威副教授申请学位：工学硕士学科：动力工程所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterStudyonFlowandHeatTransferofRunbackWateronAnti-IcingSurfaceCandidate：MeiZhengStudentID:1120209358Supervisor：AssociateP

2、rof.WeiDongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：January,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity摘要考虑水膜效应的防冰表面流动换热研究摘要飞机及发动机进口部件结冰是影响飞行安全的重大隐患之一。通常认为，结冰发生的原因是云层中含有温度低于冰点的亚稳态液态水，当飞机穿越由这些过冷水滴组成的

3、云团时，便会在迎风部件表面发生结冰现象。研究表明，飞机结冰会破坏飞机的气动外形，并影响其操纵性和稳定性；严重的结冰可能造成机毁人亡的重大飞行事故。为了保证飞行安全，现代飞机的设计都严格执行相关部门颁布的结冰条件适航规定，采用防、除冰系统来保障结冰环境条件下的安全飞行。目前在大型商用飞机上，普遍采用热气防冰系统。热气防冰系统通常从飞机发动机的压气机中引出带有一定压力的热空气，加热需要防冰的部件，保证部件表面的温度在冰点以上，从而避免撞击到部件表面的过冷水滴在其表面发生冻结。对于不完全蒸发热气防冰系统，当过冷水滴撞击到热气防冰表面后，未完全蒸发的液态水在气动力作用下沿机翼表面向后流动形成溢流水。溢

4、流水的流动换热特性对确定热防冰系统的加热区域和加热功率具有重要的影响。因此，研究考虑水膜效应的防冰表面流动换热现象具有十分重要的理论意义和工程实用价值。本文主要围绕飞机防冰表面的水膜流动换热现象展开，对考虑水膜效应的防冰表面流动换热机理进行研究。主要研究内容如下：I摘要首先，本文对国内外水膜流动换热研究进展进行了简要的回顾，介绍了研究所涉及的一些基本概念和基本研究方法。在此基础上，以ANSYSFLUENT软件作为平台，实现了空气流场计算和水滴撞击特性计算，为进一步开展防冰表面的水膜流动换热研究创造了条件。其次，本文基于机翼表面水膜及空气相互作用机理，建立了水膜与空气的流动换热模型。防冰表面水膜

5、流动换热模型考虑了气动剪切力对水膜流动的驱动效应、水膜表面的对流换热和汽化潜热，得到了溢流水膜及空气边界层流动换热的控制方程。通过与相关实验数据的对比，对所提出的计算模型的准确性进行了验证，并为进一步研究不同防冰状态下的水膜流动换热过程奠定了基础。再次，在防冰表面水膜流动换热模型的基础上，提出了连续水膜破裂后溪流流动的物理模型以及水膜破裂模型，并将计算结果与实验翼型表面溪流流态分布的测量结果进行对比，验证了水膜破裂模型的有效性。最后，基于本文提出的二维水膜流动换热模型以及水膜破裂模型，研究了不同防冰条件对水膜流动换热、水膜破裂和溪流形态的影响。本文所提出的分析方法及结果在一定程度上对防冰系统的

6、设计可以提供参考和借鉴。由于水膜流动现象涉及多学科的交叉，物理机理非常复杂，因此本文所建立的二维水膜流动换热模型及水膜破裂模型必定还有需要完善及扩展之处。关键词：飞机防冰、水膜流动、水滴撞击特性、水膜破裂、流动换热IIABSTRACTSTUDYONFLOWANDHEATTRANSFEROFRUNBACKWATERONANTI-ICINGSURFACEABSTRACTIceaccretiononaircraftandaero-engineusuallycausesmanyproblemsoftheflightsafety.Generally,thereasonoficeaccretionisth

7、atthesupercooledwaterdropletsinthecloudimpingeonaircraftsurfaces.Thesewaterdropletsinthecloudalwaysretainthemetastablestateandthetemperatureisbelowthefreezingpoint.Anumberofstudiesshowthat,iceaccretio