结冰实验段空气-水混合流动过程的数值模拟

作者:柯鹏;杨春信;吴江浩;张曙光 刊名:航空动力学报 上传者:刘兴林

【摘要】针对结冰实验段内低温空气与高温雾化水滴的混合流动过程进行了数值模拟,采用拉格朗日方法建立了空气-游离水滴/冰粒多相混合流动与传热传质的一维分析模型,考虑了水滴粒径分布、相变及空气-水滴/冰粒传热传质等因素,求解了流道内气流温度/湿度/速度,水滴温度/速度/半径等参数沿流动方向的变化,分析了水滴粒径分布、气流温度、液态水含量、相对湿度等参数对流动与传热过程的影响,与已有数据的对比验证了模型及结论的正确性.

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飞机结冰会对飞行安全有严重影响,例如升力面结冰会改变飞机气动外形,影响气动及操稳特性[1],发动机结冰会恶化进气道流场特性,影响效能[2].近年来结冰引发了多起事故,如美国1994年RoslawnATR-72事故[1]和1997年De-troitEmbraer-120事故[2-3],我国2000年两架运八飞机因尾翼结冰坠毁[4]以及2006年的安徽空难[5].目前飞机结冰研究仍以实验为主,而飞行试验费用昂贵,条件受限,因此地面冰风洞实验在国外得到了广泛应用.自1945年起,欧美就开始冰风洞建设[1],实验设备和方法较成熟,但国内的冰风洞建设和实验工作尚处于起步阶段.NASA结冰风洞IRT(icingresearchtun-nel)[6]的喷雾段和实验段简化后如图1所示,整体水平放置.液态游离水滴在喷雾段通过单级或多级喷嘴生成,为防止喷嘴管路结冰堵塞,均采用常温或者高温水,喷雾水滴与引入的冷空气均沿流道方向流动,二者在整流段和实验段充分掺混后,得到结冰工况模拟所需的水气混合流.图1NASAIRT实验段结构示意图Fig.1GeometryschematicofthetestductofNASAIRT结冰实验需要可模拟自然结冰条件的低温流场和过冷水滴分布,且气流均匀、水滴尺度和温度分布均匀等.掺混过程中由于热水滴与冷气流之间复杂的热质交换,气流和游离水属性都发生了较大变化,如水滴尺寸分布、液态水含量、水滴温度和相态等.数值模拟求解气流掺混过程的流动和传热特性,对于优化实验参数设计和设备调试很有价值.国外开展了相关研究,并应用到了实验台设计和建设中.Willbanks[7]针对某涡扇发动机结冰地面模拟设备,建立了气液一维分析模型以评估实验参数影响,但限定了水滴尺度分布,且未考虑水滴相变;Schulz[8]在Willbanks[7]模型的基础上研究了水滴结冰机理,通过修正均匀成核结冰理论得到了水滴凝固模型,但应用计算和分析偏少.NASAIRT的实验设计正是基于Willbanks和Schulz等人的研究成果[6];安东诺夫等[9]建立了类似的一维模型并详细分析了相关参数的影响,但其数学模型的水滴尺度分布和凝固过程模型相对简单,计算与分析均基于单一水滴尺寸,且其初始气流与水滴速度一致的假设与实际不符.本文针对低温空气与高温雾化水滴在结冰实验段流道内的混合流动过程进行了数值模拟.基于质量/动量/能量守恒原理,采用拉格朗日方法建立了空气-游离水滴/冰晶的多相混合流动与传热传质的一维分析模型,集成了水滴粒径分布模型、水滴凝固与蒸发模型、空气-水滴/冰晶传热传质模型等,计算了不同条件下气流温度、湿度与速度,水滴温度、速度和半径等参数沿流动方向的变化,得到了初始气流温度、速度、相对湿度、水滴粒径分布等参数对流动与传热过程的影响规律.与现有文献的对比,验证了模型的正确性和优越性.1数学模型流道内的水滴流动是一个典型的气液两相流动,本文采用拉格朗日方法建立流道内水滴与空气的流动与传热传质模型,获取沿流道方向上水滴与空气的热力学和动力学参数.11基本假设为便于分析和研究问题,做如下假设:1)水滴平行于气流方向喷入,忽略重力和浮升力,认为气流和水滴均为一维流动,不考虑水滴偏转、破碎及水滴间碰撞和凝结;2)游离水滴均视作球形,不考虑其内热阻,认为内部温度均匀,相变过程均匀发生;3)干空气和湿空气均视为理想气体,仅考虑气体压力;4)不考虑水滴在流道壁面上的撞击和凝固;5)不考虑气流参数沿截面径向的变化;6)实验段管道绝热,同外界没有热交换,所有的能量交换只在游离水滴与湿空气间进行.

参考文献

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