发动机进口静止旋转部件结冰及结冰试验的相似研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：发动机进口静止/旋转部件结冰及结冰试验的相似研究作者：李静学科专业：航空宇航推进理论与工程指导教师：刘振侠2015年05月Title:NumericalSimulationofIceAccretionandStudyforIcingScalingLawOnAero-engineEntryComponentsByLiJingUndertheSupervisedofProfessorLiuZhen-xiaADissertationsubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityForthedeg

2、reeofDoctorofaerospacepropulsiontheoryandengineeringXi’anP.R.ChinaMay2015I摘要摘要飞机在特定的气象条件下飞行，航空发动机的进口部件，如发动机支板、整流帽罩等会出现结冰现象。不断聚积的冰层会改变流道形状，减少流通面积，造成发动机性能恶化，脱落的冰层甚至会损坏发动机，对飞行安全造成难以预计的危害。本文采用数值模拟与试验研究相结合的方法对航空发动机进口静止部件和旋转帽罩的结冰问题进行了研究，并针对结冰试验的设计问题，根据结冰相似理论建立了一套发动机冰风洞试验设计方法。本文的主要工作包括：（1）采用时间多步法建立

3、了航空发动机进口静止部件三维结冰计算模型，该模型考虑了液态水的溢流效应，并开发相应的三维结冰计算程序。研究了三维结冰数值计算的基本步骤，建立了结冰数值模拟的计算流程和算法：①采用欧拉－拉格朗日法求解空气－过冷水滴气液两相流场；②给出了部件表面水滴撞击特性的求解方法和步骤，提出了一种求解水收集系数的计算方法，并开发了相应的计算程序。通过对二维NACA0012翼型表面的水收集和三维轴对称进气道唇口的水收集进行的计算，验证了该方法的可靠性；③在Messinger结冰模型的基础上，提出了一种改进的三维结冰计算模型，该模型考虑了液态水的溢流效应，并针对该模型发展了相应的采用迭代技术的数值

4、求解方法。④建立了适用于固体表面结冰的动网格模型。利用本文开发的三维结冰计算程序计算了具有三维特性的翼型结冰，其中包括MS-317翼型和GLC-305翼型，冰形计算结果与文献中的实验结果吻合较好，验证了本文计算方法和程序的可靠性。并在此基础上对三维静止帽罩结冰进行了计算分析。（2）建立了发动机旋转帽罩的三维结冰数值计算模型。综合考虑了发动机帽罩旋转情况下，旋转效应对空气流场，空气流场对水滴运动轨迹以及离心力对水甩出的影响，提出了水收集系数以及旋转部件三维结冰的计算方法。通过算例对比分析了不同转速对水收集系数以及结冰的影响。对某型发动机旋转帽罩的三维结冰进行了数值模拟和试验研究。

5、数值模拟与试验结果对比表明，两者吻合较好，进一步验证了本文提出的旋转部件三维结冰计算模型和计算方法。在此基础上，对于在一定转速下，水滴直径、进口速度、液态水含量和环境温度等结冰参数对结冰的影响进行了研究。（3）提出了一种旋转帽罩结冰试验相似准则，为旋转帽罩冰风洞试验的参I西北工业大学博士学位论文数选择提供了依据。根据相似理论，在考虑了旋转效应的基础上，建立了旋转帽罩结冰相似准则。根据本文建立的旋转帽罩结冰相似准则，提出了旋转帽罩冰风洞试验参数的选取方法。根据该方法，采用数值模拟的方法对原型和缩比模型在分别对应的结冰参数条件下，进行了计算分析，结果表明缩比前后冰形及相关结果基本一

6、致，证明本文提出的旋转帽罩结冰相似准则的正确性。关键词：结冰，发动机进口部件，数值模拟，结冰风洞，旋转帽罩，旋转结冰相似准则。IIAbstractAbstractWhatisworsethaticeaccretionontheaero-engineentrycomponents（suchasthestrutsandthecentreconicalbody）wouldoccuratsomespecialmeteoricconditionsicechanges，suchasthickening，themassflowrateofairflowandflowareawouldredu

7、ce，thatwouldleadtoworsenedengineperformance.IftheIceSheddingintotheaero-engineentry，itwillcausethedamageoftheengine，evenendangertheflight.Thispapergotadeepstudyonicingphenomenononanentrypartsofaero-engineandthecentreconicalbodyareinvestigatedsystem