四自由度飞机结冰脱落模拟研究

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1、第42卷第2期2012年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．2Mar．2012四自由度飞机结冰脱落模拟研究檀妹静，孙志国，朱春玲(南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016)摘要：飞机表面的冰粒脱落可能会对安装在尾部的发动机和其他飞机部件造成破坏，直接影响到飞机的安全飞行。在对实际结冰脱落过程进行合理简化的基础上，建立了四自由度结冰脱落轨迹模型。应用3阶Runge-Kutta方法求解冰粒运动方程，并嵌入了气动阻尼对冰粒轨迹的影响；同时将计算得到的冰粒轨迹及转角与文献中的计算和试验结果进行了对比验证；最后模拟

2、并分析了不同形状、尺寸、初始俯仰角及气动阻尼对于冰粒运动轨迹的影响，为飞机表面结冰脱落的进一步研究工作提供了参考。关键词：飞机结冰；冰块脱落；数值模拟；运动轨迹中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1671．654X(2012)02．0100．05FourDegreeofFreedomSimulationofIceSheddingforAircraftIcingTANMei—jing，SUNZhi-guo，ZHUChun-ling(CollegeofAerospaceEngineering，Na彬ngUniversityofAeronauticsandAstro

3、nautics，Nanjing210016，China)Abstract：Iceparticlesshedfromaircraftsurfacesareasafetyconcembecausetheyvandamageaft—mountedenginesandotheraircraftcomponents．Afour—degrees-of-freedomtrajectorymodelforiceshed—dingisestablishedinthispaperbasedonreasonablesimplificationofactualicesheddingprocess

4、．Then，thethirdorderRunge．Kuttamethodiscarriedouttosolvetheequationsoficeparticlesmotion．Theeffectsofairdampingarealsoconsidered．Calculatedresultsoftrajectoriesandangleofpitcharecom—paredwithresultsofreferencesandexperimentsrespectively．Atlasticesheddingindifferentshapes，dif-ferentsides，di

5、fferentinitialangleofpitchanddifferentairdampingaresimulated．Insummarythispaperprovidesabasisforicesheddinginthefuture．Keywords：aircrafticing；iceshedding；numericalsimulation；trajectory引言结冰脱落的风险分析是航空工业中的一个重要课题。尽管国内外在结冰模拟方面已经取得了一定的成果，但是关于结冰脱落的精确的风险评估问题尚待解决。其中，机翼前缘作为飞机表面主要的积冰部位，其上的积冰脱落町能会对下游

6、的飞机部件造成伤害，例如对尾桨的碰撞损坏，尾部喷气式发动机吞冰等。从飞机安全性方面考虑，飞机结冰认证条例要求结冰脱落对于飞机安全的影响必须通过飞行试验进行评估⋯。然而，在自然结冰条件下的结冰脱落试验成本高昂，在实施上又具有一定的局限性。因此，非常需要一个有效的能够应用于飞机结冰分析认证和指导认证飞行试验的结冰脱落数值模拟工具。随着飞机结冰特性研究的不断发展，结冰脱落问题逐渐受到重视，国外已经采用基于经验和试验气动数据的数值模拟方法开展了对于结冰脱落问题的研究。Wright¨1将冰粒形状近似为球体，忽略其转动，认为粒子重力和气动阻力是主要作用力而计算得到二自由度冰粒轨迹。L

7、uis⋯利用简化了的升力、阻力和俯仰力矩模型，开发了一个三自由度的冰粒脱落进入均匀流场的轨迹的计算方法。威奇托州立大学∞1提出采用蒙特卡罗方法进行脱落冰粒着落点概率分布分析，并采用四自由度轨迹代码分析了释放在3D均匀流场中的正方形和矩形冰粒运动轨迹。威奇托州立大学在上述研究的基础上，对典型冰粒进行了冰风洞试验MJ。国内尚未开展有关研究。本文考虑重力、升力、阻力、彤平面内的气动及阻尼力矩综合作用，建立了冰粒脱落轨迹四自由度(4DOF)模型，计算了不同尺寸、形状及初始姿态角下的冰粒脱落轨迹，并与试验现象进行了对比。收稿日期：201