桑為民, 賈韞澤, 魯天

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛行部, 陜西 西安 710089))

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水滴撞擊飛濺效應(yīng)對(duì)過冷大水滴結(jié)冰影響研究

桑為民1, 賈韞澤1, 魯天2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛行部, 陜西 西安 710089))

過冷大水滴(SLD)結(jié)冰的結(jié)冰量較大、位置靠后且容易形成復(fù)雜冰型，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能和飛行安全具有更大危害性。在結(jié)冰過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，針對(duì)SLD條件下水滴撞擊的飛濺效應(yīng)及其對(duì)成冰過程影響進(jìn)行研究。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和中心有限體積法求解N-S方程獲得空氣流場(chǎng)，運(yùn)用拉格朗日法求解水滴流場(chǎng)，基于改進(jìn)的Messinger熱力學(xué)模型進(jìn)行翼面結(jié)冰模擬。對(duì)SLD結(jié)冰，采用飛濺碰撞模型，分析了水滴飛濺現(xiàn)象及其對(duì)SLD結(jié)冰過程的影響，完成了典型翼型結(jié)冰算例的數(shù)值模擬和分析討論，與參考文獻(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，說明了文中計(jì)算模型及計(jì)算方法在模擬SLD結(jié)冰的撞擊飛濺效應(yīng)時(shí)是可行和正確的，獲得的影響規(guī)律和結(jié)論對(duì)于深入研究SLD結(jié)冰具有重要的參考價(jià)值。

飛機(jī)結(jié)冰；過冷大水滴；水滴飛濺；拉格朗日方法；N-S方程

飛機(jī)結(jié)冰是導(dǎo)致飛行安全事故的主要隱患，自美國(guó)鷹航ATR-72-212飛機(jī)事故之后，人們開始對(duì)過冷大水滴(supercooled large droplet,SLD)結(jié)冰進(jìn)行了深入研究[1-2]。在SLD結(jié)冰過程中，會(huì)出現(xiàn)水滴撞擊區(qū)域變化，更容易在結(jié)冰防護(hù)區(qū)后部形成復(fù)雜冰型等，對(duì)飛行安全的危害更加嚴(yán)重。SLD結(jié)冰環(huán)境是指大直徑的過冷水滴(50 μm以上)在特定云層中存在著廣泛分布。SLD與常規(guī)小水滴的明顯區(qū)別就是會(huì)出現(xiàn)顯著的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，例如水滴變形破碎、水滴撞擊反彈和飛濺等，會(huì)造成水滴運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，對(duì)結(jié)冰收集系數(shù)和結(jié)冰量以及結(jié)冰位置產(chǎn)生較大影響。目前SLD結(jié)冰機(jī)理和結(jié)冰過程研究，已成為飛機(jī)結(jié)冰問題研究的熱點(diǎn)之一并得到了廣泛關(guān)注。

美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA于2010年發(fā)布了《飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在過冷大水滴、混合態(tài)和冰晶結(jié)冰條件下的合格審定要求》的規(guī)章制定通告，將航空管理?xiàng)l例FAR 25部和33部適航規(guī)章確定的結(jié)冰條件擴(kuò)展到了SLD結(jié)冰條件下，同時(shí)建議增加了新的適航標(biāo)準(zhǔn)以改善安全性[3-4]。NASA-Glenn研究中心一直致力于飛機(jī)結(jié)冰的系統(tǒng)性研究，制定了詳細(xì)的SLD研究計(jì)劃，全面涵蓋了結(jié)冰的環(huán)境特征，結(jié)冰對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響等[5-6]。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的結(jié)冰數(shù)值模擬計(jì)算軟件，例如FENSAP-ICE和LEWICE等，通過研究SLD撞擊和飛濺效應(yīng)及其對(duì)結(jié)冰過程的影響等，改進(jìn)修訂其軟件內(nèi)容，研究工作還在不斷的深入和完善[7-8]。對(duì)于SLD結(jié)冰環(huán)境，Tan等[9]在計(jì)算基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究建立WSU模型并分析結(jié)冰過程中水滴飛濺的影響；Honsek等[10]采用歐拉法，數(shù)值分析了水滴的飛濺和反彈現(xiàn)象，將原有的半經(jīng)驗(yàn)飛濺模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換給出了適用當(dāng)前計(jì)算的數(shù)學(xué)模型；Colin等[11]采用集成了水滴飛濺計(jì)算模塊的LEWICE 3D，數(shù)值分析了三維外形的水滴收集系數(shù)，并與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比研究；Iuliano等[12]通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比研究，采用歐拉法分析了幾種飛濺和反彈模型的計(jì)算精度和適用范圍及影響規(guī)律；Quero等[13]采用高速成像技術(shù)，在垂直風(fēng)洞中對(duì)SLD撞擊水膜的水滴飛濺過程進(jìn)行了研究。

國(guó)內(nèi)對(duì)SLD結(jié)冰的研究工作開展的比較晚，王超和常士楠等[14]基于歐拉法進(jìn)行了SLD結(jié)冰過程中的飛濺效應(yīng)及影響研究；權(quán)生林和李維仲等[15]利用高速攝影儀記錄了水滴撞擊不同固體表面的形態(tài)變化，研究水滴撞擊固體表面的影響因素；閔現(xiàn)花和董威等[16]采用拉格朗日法對(duì)SLD環(huán)境下水滴撞擊特性的重力影響進(jìn)行了研究和分析。還有其他一些高校和院所的科研團(tuán)隊(duì)不斷加入到SLD結(jié)冰研究中來。

本文在結(jié)冰過程數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，通過對(duì)SLD條件下結(jié)冰過程的分析，針對(duì)SLD撞擊過程中水滴飛濺特性，分析模擬SLD結(jié)冰過程及飛濺影響規(guī)律，對(duì)比2種不同飛濺計(jì)算模型，研究了水滴撞擊飛濺對(duì)成冰過程和結(jié)果影響。通過以上研究和分析，說明SLD結(jié)冰條件時(shí)考慮水滴撞擊飛濺效應(yīng)的必要性和計(jì)算方法的可行性，獲得的影響規(guī)律和分析結(jié)論對(duì)于深入認(rèn)識(shí)和研究SLD結(jié)冰問題具有重要參考價(jià)值。

1 結(jié)冰過程數(shù)值模擬方法

結(jié)冰過程的數(shù)值模擬是基于對(duì)結(jié)冰機(jī)理的認(rèn)識(shí)和探索，預(yù)測(cè)結(jié)冰的范圍、形狀及其影響，主要包括以下4個(gè)步驟：空氣流場(chǎng)計(jì)算、水滴運(yùn)動(dòng)及撞擊特性分析、結(jié)冰過程計(jì)算、冰型確定。

1.1 空氣流場(chǎng)求解

流場(chǎng)中過冷水滴的運(yùn)動(dòng)、水滴與物面的碰撞以及物面結(jié)冰的相變過程等都在很大程度上決定于空氣流場(chǎng)分布。非定常N-S方程可寫成如下積分形式：

(1)

式中，U為解向量,F為無黏對(duì)流項(xiàng),Fv為黏性耗散項(xiàng)。

采用有限體積法和經(jīng)典四步Runge-Kutta方法求解上述方程,利用Spalart-Allmaras一方程湍流模型,對(duì)于物面邊界和遠(yuǎn)場(chǎng)邊界,分別采用無穿透和無反射邊界條件。算法詳見參考文獻(xiàn) [17]。

1.2 水滴流場(chǎng)及撞擊特性分析

在空氣流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上或與此同時(shí),采用數(shù)值方法求解水滴運(yùn)動(dòng)方程得到水滴運(yùn)動(dòng)軌跡,獲得結(jié)冰表面水滴撞擊特性。本文基于拉格朗日方法來分析撞擊特性并獲得水滴收集系數(shù)[18]。水滴運(yùn)動(dòng)軌跡以及水滴與翼面碰撞點(diǎn)的確定是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)冰位置以及結(jié)冰形狀的基礎(chǔ)。

用拉格朗日法進(jìn)行水滴流場(chǎng)求解時(shí),對(duì)每個(gè)水滴進(jìn)行跟蹤,以確定水滴是否與物體發(fā)生碰撞,并確定碰撞位置。計(jì)算過程有如下假設(shè):

1) 水滴在運(yùn)動(dòng)過程中既不相互碰撞也不分解;

2) 水滴的密度、溫度等在運(yùn)動(dòng)中保持不變;

3) 水滴初速度與自由來流相同,水滴流場(chǎng)不會(huì)對(duì)空氣流場(chǎng)產(chǎn)生影響。

考慮到作用在水滴上的阻力和重力,根據(jù)牛頓第二定律獲得水滴的運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中，ρd為水滴密度,Vd為水滴體積,ρa(bǔ)為空氣密度,ua為當(dāng)?shù)乜諝馑俣?ud為水滴速度,Cdd為水滴阻力系數(shù),計(jì)算公式采用如下形式

(3)

通過求解公式(2)分別跟蹤每一個(gè)水滴,在得到所有碰撞水滴的軌跡后,可以由水滴的初始位置和碰撞位置,得到局部收集系數(shù)。

1.3 結(jié)冰熱力學(xué)模型及冰型生成

在空氣流場(chǎng)及水滴撞擊特性已知的基礎(chǔ)上,對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)建立傳質(zhì)傳熱模型,獲得結(jié)冰表面的液態(tài)水分布及凍結(jié)量等,由給定時(shí)間內(nèi)的凍結(jié)量得到每個(gè)控制體內(nèi)冰層厚度的增長(zhǎng),從而在時(shí)間推進(jìn)過程中完成結(jié)冰形狀的變化計(jì)算和修正。

圖1 控制體內(nèi)質(zhì)量和能量平衡示意圖

在結(jié)冰預(yù)測(cè)研究中,熱力學(xué)過程的描述常采用基于平衡關(guān)系的Messinger模型。參照?qǐng)D1,控制體內(nèi)的質(zhì)量和能量平衡方程分別為

(4)

(5)

2 SLD撞擊飛濺效應(yīng)分析

由以上結(jié)冰數(shù)值模擬過程可以看出,水滴撞擊特性分析是結(jié)冰預(yù)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通常大直徑水滴容易導(dǎo)致比較強(qiáng)烈的撞擊飛濺,對(duì)于SLD結(jié)冰,應(yīng)該充分考慮水滴撞擊飛濺效應(yīng)及其影響。

2.1 水滴撞擊飛濺影響分析

在水滴撞擊翼面結(jié)冰的過程中,無論水滴的大小如何都會(huì)或多或少的發(fā)生飛濺現(xiàn)象,對(duì)常規(guī)小水滴可以忽略其影響,而對(duì)于SLD條件下的結(jié)冰模擬而言水滴飛濺是一個(gè)不可忽略的過程。

Gent和Ford等[19]在ACT Luton冰風(fēng)洞中的試驗(yàn)研究表明:由于水滴飛濺造成的水滴質(zhì)量損失在水滴平均容積直徑MVD為50 μm時(shí)的小尺寸水滴狀態(tài)下僅有5%,這在工程計(jì)算中通常是可以忽略的,而在水滴平均容積直徑MVD增加到180 μm后水滴飛濺引起的水滴質(zhì)量損失卻增加到了25%,變得非常明顯,如圖2所示:

圖2 不同直徑水滴飛濺質(zhì)量損失

水滴撞擊飛濺效應(yīng)給SLD的撞擊特性預(yù)測(cè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),由于真實(shí)條件下SLD的撞擊現(xiàn)象非常復(fù)雜,目前應(yīng)用在SLD撞擊特性計(jì)算領(lǐng)域的飛濺模型大多是基于常溫水滴或其他種類液滴與壁面撞擊的計(jì)算模型通過一定修正得到的。

2.2 水滴撞擊飛濺計(jì)算模型

在SLD條件下的結(jié)冰模擬中,水滴飛濺是一個(gè)不可忽略的過程。為了獲得水滴的飛濺特性,需要對(duì)水滴飛濺過程進(jìn)行完整模擬。水滴飛濺模型主要包括以下幾個(gè)部分:(1) 根據(jù)水滴撞擊速度和角度等判定水滴是否發(fā)生飛濺;(2) 求解撞擊水滴由于飛濺而產(chǎn)生的質(zhì)量損失;(3) 得到飛濺和反彈后的細(xì)小水滴的大小以及其飛行角度和速度。目前比較常用的飛濺模型有以下2種[5,20-21]:

1) Mundo模型

Mundo等人根據(jù)對(duì)水滴飛濺的實(shí)驗(yàn)研究,提出水滴撞擊飛濺主要取決于水滴Re數(shù)和Oh數(shù)等無量綱參數(shù)的大小。為了判定水滴飛濺的臨界值以及質(zhì)量損失大小引入了水滴的撞擊參數(shù)K,表示了水滴撞擊能的大小,其表達(dá)式為

(6)

式中，Wen為水滴的撞擊Weber數(shù),與水滴的法向入射速度相關(guān),因此水滴在物面上的撞擊角度大小直接影響K的取值范圍。根據(jù)Mundo實(shí)驗(yàn)研究,撞擊水滴的飛濺條件是K≥57.7,即K值在大于此臨界值時(shí),撞擊水滴將會(huì)發(fā)生飛濺現(xiàn)象。水滴飛濺的質(zhì)量損失率可表示為

(7)

式中，ms表示水滴碰撞過程中損失的質(zhì)量,m0表示撞擊液滴的總質(zhì)量,θ0表示水滴入射速度與碰撞表面切向的夾角,Kctr表示水滴飛濺的臨界值。

可以看出當(dāng)θ0=90°時(shí),水滴飛濺的質(zhì)量損失率為零,即當(dāng)水滴沿法向撞擊時(shí)將不會(huì)發(fā)生飛濺現(xiàn)象。因?yàn)樵摲椒▽⑺蔚淖矒裟芰颗c撞擊角度都考慮在模型內(nèi),可以較好地模擬水滴飛濺效應(yīng)。

為了進(jìn)一步獲得水滴飛濺后的運(yùn)動(dòng)軌跡,判斷水滴是否會(huì)與翼面發(fā)生二次碰撞,需要知道飛濺出的水滴的大小和飛濺速度。采用t代表切線方向,n代表法線方向,ξ和ζ分別表示水滴飛濺速度與入射速度在切向和法向分量的比值,并且設(shè)飛濺水滴直徑為ds,撞擊水滴直徑為d0,則可得

(8)

(9)

(10)

在此模型中,水滴的飛濺后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受到飛濺水滴的大小的影響。

2) FENSAP模型

FENSAP-ICE軟件在實(shí)際結(jié)冰模擬中有著廣泛應(yīng)用,其飛濺模型與Mundo模型相比,最大不同是考慮了撞擊固壁表面的粗糙度對(duì)飛濺的影響。

(11)

式中,Ky為水滴撞擊能量參數(shù),Λ為入射頻率

飛濺水滴的速度參數(shù)為

(12)

(13)

此模型中飛濺水滴的速度變化主要考慮了撞擊水滴與壁面撞擊角度的影響。

3 算例及結(jié)果分析

3.1 常規(guī)小水滴結(jié)冰過程模擬及影響分析

以廣泛采用的典型NACA0012翼型為例,取翼型弦長(zhǎng)c=0.533 4 m,來流速度u=67.05 m/s,迎角α=4°,水滴平均容積直徑MVD=20 μm,液態(tài)水含量LWC=1.0 g/m3,結(jié)冰時(shí)間t=360 s,選取3種不同結(jié)冰溫度:Case1為T=-28.3°C(霜冰狀態(tài)),Case2為T=-10.0°C(對(duì)應(yīng)混合冰狀態(tài)),Case3為T=-4.4°C(明冰狀態(tài))。

圖3與圖4顯示了全部3種結(jié)冰溫度下的水滴凍結(jié)系數(shù)和結(jié)冰質(zhì)量分布的比較?？梢钥闯?隨著結(jié)冰溫度的不斷升高,明冰范圍逐漸變大。由結(jié)冰質(zhì)量流量圖也可以看出在明冰和混合冰條件下翼型表面會(huì)出現(xiàn)2個(gè)分離的冰角。

圖3 水滴凍結(jié)系數(shù)

圖4 結(jié)冰質(zhì)量

圖5～圖7分別為Case1、Case2和Case3條件下結(jié)冰計(jì)算結(jié)果及對(duì)比,用本文方法預(yù)測(cè)的冰型與試驗(yàn)結(jié)果以及LEWICE軟件預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好,結(jié)冰上下極限位置一致,較準(zhǔn)確模擬出明冰中羊角產(chǎn)生的位置和方向,說明本文方法能夠較好預(yù)測(cè)常規(guī)小水滴結(jié)冰條件下冰型生成過程。

3.2 SLD飛濺效應(yīng)及其影響分析

水滴飛濺影響主要表現(xiàn)在大尺寸水滴在撞擊到翼面后由于撞擊能量較大,不會(huì)立刻附著到翼面而是發(fā)生飛濺,部分水滴會(huì)離開表面。

以NACA0012翼型為例,取計(jì)算條件:翼型弦長(zhǎng)c=0.533 4 m,來流速度u=77 m/s,迎角α=0°,MVD=160 μm,液態(tài)水含量LWC=1.0 g/m3,結(jié)冰時(shí)間t=360 s,結(jié)冰溫度T=244.85 K。

圖5 Case1條件下結(jié)冰計(jì)算結(jié)果對(duì)比 圖6 Case2條件下結(jié)冰計(jì)算結(jié)果對(duì)比 圖7 Case3條件下結(jié)冰計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖8比較了2種飛濺模型在飛濺質(zhì)量損失方面的區(qū)別,可以看出,2種模型的水滴飛濺損失變化趨勢(shì)一致,但Mundo模型中不同撞擊位置水滴飛濺變化較大,前緣點(diǎn)附近出現(xiàn)了不發(fā)生飛濺的情況;而FENSAP模型,水滴在所有碰撞位置都發(fā)生飛濺現(xiàn)象,而且不同位置之間變化比較平均。這是因?yàn)镸undo模型主要依靠撞擊能量系數(shù)來作為水滴飛濺的判斷依據(jù),不同位置處撞擊能量變化較大,FENSAP模型主要考慮碰撞面的粗糙程度,由于在不同位置碰撞面上的粗糙度變化較小,以致飛濺模擬結(jié)果也較為平均。

基于以上對(duì)比分析,為了模擬SLD的撞擊飛濺特性,本文主要采用Mundo模型,來研究水滴飛濺效應(yīng)及其對(duì)結(jié)冰過程和冰型生成的影響。

圖9為不同尺寸條件下水滴的撞擊能量參數(shù)對(duì)比情況?？梢钥闯?水滴直徑越大,撞擊能量參數(shù)也就越大,而且在翼型的前緣點(diǎn)位置,水滴的撞擊能量達(dá)到了最大值。

圖8 2種模型飛濺質(zhì)量損失率對(duì)比 圖9 不同水滴撞擊能量參數(shù)對(duì)比 圖10 撞擊角度與質(zhì)量損失率關(guān)系

圖10給出了不同撞擊能量參數(shù)Ky下撞擊角度與飛濺質(zhì)量損失率之間的關(guān)系。可以看出,隨著撞擊角度變大,水滴撞擊質(zhì)量損失率慢慢變小直到為零,即不發(fā)生飛濺。水滴與物面撞擊越傾斜,就越容易發(fā)生飛濺。能量參數(shù)越大,水滴飛濺系數(shù)也越大,而且這種差距隨著撞擊角度的變大越來越明顯,甚至在能量參數(shù)Ky=80,撞擊角度超過40°時(shí)便不再發(fā)生飛濺。同時(shí)可以看到,小尺寸水滴由于撞擊能量較小不易發(fā)生飛濺,而隨著水滴尺寸變大水滴飛濺情況也會(huì)變得比較嚴(yán)重。

圖11為3種不同大小的水滴的飛濺質(zhì)量損失率比較圖。對(duì)于小尺寸水滴,只在兩邊撞擊極限位置有很少的飛濺產(chǎn)生。而大尺寸水滴時(shí),大部分碰撞位置均有飛濺情況發(fā)生,只在最大收集系數(shù)位置有少量區(qū)域由于撞擊角度較大而不發(fā)生飛濺。而且越靠近兩邊碰撞極限,水滴飛濺導(dǎo)致的質(zhì)量損失也就越大。同時(shí)水滴尺寸的增大也會(huì)引起飛濺范圍變大,相同位置的飛濺質(zhì)量損失率也越大。

圖11 不同水滴飛濺質(zhì)量損失率對(duì)比 圖12 有無飛濺模型時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖12給出MVD=300 μm時(shí)加入飛濺模型和不加模型時(shí)水滴收集系數(shù)和生成冰型的對(duì)比?？梢钥闯黾尤腼w濺模型后,最大水滴收集系數(shù)的大小和位置、水滴撞擊極限的位置都不會(huì)出現(xiàn)太大變化,但整個(gè)水滴撞擊區(qū)域內(nèi)的收集系數(shù)會(huì)有明顯減小。這種變化反映到冰型上可以看出,結(jié)冰極限位置和最大結(jié)冰厚度幾乎沒有改變,但總結(jié)冰量卻因?yàn)轱w濺變小,導(dǎo)致冰型外形會(huì)發(fā)生變化。

采用Mundo飛濺模型,對(duì)SLD結(jié)冰過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,以典型NACA0012翼型為例,選取MVD=160 μm,其他計(jì)算條件如下表1所示。

表1 飛濺模型應(yīng)用的計(jì)算條件

將計(jì)算結(jié)果與Potapczuk等人的試驗(yàn)結(jié)果[5-6]進(jìn)行對(duì)比分析,如圖13和圖14所示。

圖13 Case1冰型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖14 Case2冰型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

其中Ice Shape表示文獻(xiàn)數(shù)據(jù),Predict表示本文計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?考慮水滴飛濺效應(yīng)后,本文方法在模擬SLD條件下翼型結(jié)冰過程中能夠獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果,特別是能夠較好地預(yù)測(cè)SLD條件下冰型生成的極限位置,同時(shí)對(duì)于冰角出現(xiàn)的位置和大小以及整個(gè)冰型輪廓趨勢(shì)都能較好模擬。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說明本文方法在SLD條件下撞擊飛濺效應(yīng)模擬及冰型預(yù)測(cè)方面具有較好的準(zhǔn)確性,在實(shí)際工程應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文基于結(jié)冰過程的模擬,主要開展了SLD條件下水滴撞擊飛濺效應(yīng)及其對(duì)結(jié)冰過程影響的數(shù)值研究分析。主要結(jié)論如下:

1) 對(duì)于常規(guī)小水滴結(jié)冰過程,通常可以忽略水滴撞擊中飛濺效應(yīng)造成的水滴質(zhì)量損失,但對(duì)于SLD條件下的結(jié)冰模擬而言,水滴飛濺對(duì)質(zhì)量損失的影響是不應(yīng)忽略的。

2) 討論了2種常用的水滴飛濺模型,對(duì)比分析了兩種模型的區(qū)別。計(jì)算結(jié)果顯示SLD條件下水滴飛濺過程對(duì)結(jié)冰的極限位置和最大結(jié)冰厚度影響不大,但卻使水滴撞擊的總收集系數(shù)變小,使得冰型前緣更容易出現(xiàn)尖點(diǎn)和冰角外形。

3) 對(duì)于SLD結(jié)冰過程,充分考慮水滴撞擊的飛濺特性,可以更好地模擬冰角出現(xiàn)的位置和大小以及整個(gè)冰型輪廓趨勢(shì)。

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Numerical Analysis of Splashing for Icing Effects at Supercooled Large Droplet Impingement

Sang Weimin1, Jia Yunze1, Lu Tian2

1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.Institute of Flight, Chinese Flight Test Establishment, Xi′an 710089, China

The icing with Supercooled Large Droplet (SLD) can form the complex ice shape and may result in the extremely severe performance degradation to hazard the flight safety. Research objectives in this paper are to master and reveal the icing effects of droplets splashing under SLD conditions. A numerical solver is developed to analyze the ice accretion, which include the centered finite volume method for solving the N-S equations to get the air flow field, and the Lagrangian method for predicting the flow field of droplets, and a revised Messinger model for simulating the thermodynamic process of icing. Two different splashing models are presented to investigate the splashing phenomenon and droplet impingement. Using the above methods, we complete the numerical simulation of ice accretion and icing effects of droplets splashing over the NACA 0012 airfoil. The calculation results are in good agreement with experimental data, indicating that the methods are feasible and effective. The investigation has important engineering application value for the SLD icing prediction.

angle of attack; drops; flow fields; flow velocity; turbulence models; aircraft icing; supercooled large droplet; droplets splashing; Lagrangian method; N-S equations

2016-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(11072201)及航空科學(xué)基金(2015ZA53007)資助

桑為民(1974—)，西北工業(yè)大學(xué)教授，主要從事空氣動(dòng)力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)研究。

V211.3

A

1000-2758(2016)05-0739-08