某航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰腔流動(dòng)與換熱仿真

徐 寧，徐之太，管 寧*

（1.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南；2.中交一公局電氣化工程有限公司,北京）

引言

在長(zhǎng)時(shí)間高空飛行中，飛機(jī)通過含有許多過冷液滴的云層中時(shí)，其中某些部件的前緣就會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)冰現(xiàn)象出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)唇口就會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作而失控，進(jìn)而影響到整架飛機(jī)的飛行安全。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰技術(shù)的研究已成為一個(gè)備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

張書曄等[1]以某無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)為模型，針對(duì)雙蒙皮防冰腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算了12 個(gè)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道不采取防冰措施的結(jié)冰厚度最大可達(dá)0.31 mm。梁青森等[2]針對(duì)7 種不同結(jié)構(gòu)的微引射熱氣除冰腔的引射性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比。胡金源等[3]針對(duì)微引射式防冰腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響，通過數(shù)值模擬，得出射流孔孔距和混合腔最佳長(zhǎng)徑比為8。于磊，張書曄[4]針對(duì)防冰腔的熱變形問題，運(yùn)用仿真分析不同工況的熱變形情況，為防冰腔的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。上述研究均可為微引射式防冰腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰技術(shù)的研究仍較少，本文針對(duì)短艙防冰技術(shù)方案的優(yōu)化問題，構(gòu)建了微元化三維模型，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同引氣速度和溫度防冰問題展開研究。

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

防冰腔作為熱氣防冰系統(tǒng)的重要組成部分，其三維建模對(duì)于仿真模擬的真實(shí)性十分重要。考慮到防冰腔內(nèi)防冰通道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，仿真所需網(wǎng)格量較大，因此根據(jù)防冰通道的周期性分布特點(diǎn)，截取三個(gè)防冰通道構(gòu)建三維模型，進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，模型及尺寸如圖1所示。

圖1 防冰腔模型

根據(jù)所建立的三維模型，對(duì)微引射式防冰腔的外流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2 展示了外流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分情況。圖3 為ICEM 生成體網(wǎng)格。

圖3 ICEM 生成體網(wǎng)格

基于上述網(wǎng)格，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)防冰腔內(nèi)的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行模擬，控制方程如式（1）-式（3）所示：

動(dòng)量方程

式中：ρ是流體密度(g/m3)；u 是流體的速度矢量（m/s）t 是時(shí)間；p 是流體的壓力；τ 是應(yīng)力張量，包含的信息包括摩擦應(yīng)力、渦旋粘滯應(yīng)力等；g 是重力加速度。

能量方程

式中：e 是流體的內(nèi)能密度(g/m3)，即單位質(zhì)量流體的內(nèi)能；u 是流體的速度矢量；q 是熱通量向量密度。

物質(zhì)方程

式中：? ?( ρu)表示速度散度，即速度場(chǎng)內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量的凈流出流量。

入口邊界條件設(shè)定為只有外流場(chǎng)的外部冷氣流，出口邊界條件設(shè)定為僅有外流場(chǎng)的壓力出口。蒙皮外表面設(shè)定成熱流邊界條件，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為200 W/（m2·K）。將展向的壁面設(shè)置為絕熱壁面。

2 結(jié)果與討論

采用上文的模型及計(jì)算方法，本文對(duì)防冰腔表面對(duì)流換熱系數(shù)以及壓力分布展開了數(shù)值模擬，并對(duì)比分析了不同引氣速度、來流溫度下的防冰效果。

圖4 給出了防冰腔外表面的對(duì)流換熱系數(shù)分布，由圖可以看出中段的對(duì)流換熱系數(shù)最大，向兩端逐漸遞減，是由于噴口處的流速大，而兩端流速較小引起的。

圖4 防冰腔外表面對(duì)流換熱系數(shù)分布

為了分析不同工況參數(shù)下的防冰性能，本文對(duì)比分析了不同引氣速度和來流溫度對(duì)防冰表面溫度的影響。在引氣氣流為100 ℃，外部氣溫為-10 ℃工況下，圖5 分別給出了引氣速度為10 m/s、20 m/s、30 m/s 時(shí)的溫度云圖。通過計(jì)算可得到防冰表面最低溫度分別為266.4 K、274.8 K、286.2 K。

圖5 防冰腔外蒙皮不同引氣速度工況下溫度云圖

由圖5 可得，引氣速度為10 m/s 時(shí)防冰表面最低溫度過低，不能滿足防冰要求。20 m/s 時(shí)防冰表面的最低溫度適宜，防冰狀態(tài)較佳。30 m/s 時(shí)防冰通道的溫度較高，滿足防冰要求但會(huì)浪費(fèi)引氣量。故而引氣速度過大或過小均不利于防冰性能。

在引氣速度為30 m/s，外部氣溫為-10 ℃工況下，圖6 給出了引氣溫度分別為130 ℃、115 ℃、100℃時(shí)的溫度云圖。由計(jì)算可得防冰表面最低溫度分別為307.1 K、297.3 K、286.2 K。

圖6 防冰腔外蒙皮不同引氣溫度工況下溫度云圖

由圖6 可得，防冰腔外蒙皮的溫度在130 ℃時(shí)較高，在100 ℃時(shí)較低。說明防冰引氣氣流溫度的升高會(huì)導(dǎo)致防冰腔內(nèi)部與外部蒙皮間的熱流密度增大，從而使表面溫度提高。

3 結(jié)論

（1） 當(dāng)引氣速度不低于15 m/s,引氣溫度不低于380 K 時(shí)，本文設(shè)計(jì)的防冰通道可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)唇口的有效防冰。

（2） 引氣速度從10 m/s 到40 m/s, 防冰表面最高溫度升高了約20.67%，最低溫度升高了約7.13%。與蒙皮最高溫度相比，引氣速度對(duì)蒙皮最低溫度的影響較小。

（3） 引氣溫度從100 ℃增加到130 ℃時(shí)，防冰表面最高溫度升高了約13.23%，最低溫度升高了約11.51%。