鄭梅，馮麗娟，秦娜，尹金鴿

中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241

當(dāng)飛機(jī)穿越由過冷水滴組成的云層時(shí)，迎風(fēng)部件表面會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象［1-3］。發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道表面產(chǎn)生的冰聚集會改變發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場和進(jìn)氣流量，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降、喘振或失速［4］；當(dāng)表面積冰發(fā)生破碎時(shí)，冰片可能被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，撞擊風(fēng)扇葉片，造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損傷，嚴(yán)重危害飛行安全［5-7］。目前，在役的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用熱氣防冰結(jié)構(gòu)，其中笛形管熱氣防冰系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道上［8-9］。在短艙笛形管熱氣防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，防冰性能仿真分析是設(shè)計(jì)流程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，構(gòu)建有效的防冰計(jì)算方法可以大幅提升設(shè)計(jì)效率，為防冰性能評估及防冰結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。

笛形管熱氣防冰系統(tǒng)的性能仿真涉及復(fù)雜的內(nèi)外流耦合傳熱［10-13］?；诜辣到y(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境與工作原理，防冰腔內(nèi)、外流動(dòng)換熱特性差異顯著［14-18］，為仿真計(jì)算帶來較大難度。文獻(xiàn)中關(guān)于笛形管防冰系統(tǒng)的耦合仿真大多針對機(jī)翼防冰腔構(gòu)型［19-23］，所采用的耦合計(jì)算方法可分為強(qiáng)固耦合方法［24-25］和松散耦合方法［26-27］。強(qiáng)固耦合計(jì)算通常將防冰腔外流域、固體域及內(nèi)流域進(jìn)行一體化網(wǎng)格劃分，在計(jì)算過程中同時(shí)求解內(nèi)外流場及固體域?qū)幔?8-29］；而松散耦合方法則通常將計(jì)算域進(jìn)行拆分并選取合適的迭代策略以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外流域的耦合計(jì)算。由于松散耦合并不要求內(nèi)外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)完全一致，因此在減少計(jì)算網(wǎng)格和提升計(jì)算效率上具有較大優(yōu)勢［30］。對于短艙進(jìn)氣道笛形管防冰系統(tǒng)，由于全環(huán)模型尺寸大、笛形管上射流孔數(shù)多，且進(jìn)氣道型面具有周向非對稱特性，無法參考機(jī)翼模型截取一段直翼防冰腔進(jìn)行模擬。綜合計(jì)算網(wǎng)格與計(jì)算效率等因素，松散耦合方法更為適用。松散耦合迭代過程中涉及內(nèi)外流計(jì)算域耦合面的數(shù)據(jù)交互。相較于干空氣條件，濕空氣條件下防冰表面熱質(zhì)傳遞過程更為復(fù)雜，且進(jìn)氣道表面還需考慮周向非對稱流場導(dǎo)致的三維溢流效應(yīng)對防冰表面熱載荷的影響。

基于此，針對短艙全尺寸模型的笛形管熱氣防冰系統(tǒng)，采用松散耦合方法開展了三維防冰內(nèi)外流仿真計(jì)算方法研究。將三維短艙進(jìn)氣道計(jì)算模型中的外流場獨(dú)立為一個(gè)計(jì)算域，將蒙皮固體域與防冰腔內(nèi)流場組合為另一個(gè)計(jì)算域，以防冰腔蒙皮外表面作為兩個(gè)計(jì)算域的耦合面，通過耦合面溫度和換熱系數(shù)（Heat Transfer Coeffi?cient， HTC）相互賦值為邊界條件來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外流計(jì)算域的數(shù)據(jù)交互。根據(jù)防冰計(jì)算流程，依次構(gòu)建干、濕空氣條件下的防冰內(nèi)外流松散耦合迭代策略，并在濕空氣條件下引入短艙周向非均勻性對防冰表面溢流流動(dòng)換熱特性的影響。最終獲得迭代收斂后的短艙進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)外表面溫度及換熱系數(shù)分布。

1 三維防冰內(nèi)外流耦合計(jì)算方法

1.1 防冰計(jì)算流程

通常，防冰計(jì)算流程包括以下3個(gè)步驟：流場計(jì)算、水滴撞擊特性計(jì)算和防冰熱分析計(jì)算。

1.1.1 流場計(jì)算

采用ANSYS Fluent商用軟件進(jìn)行流場計(jì)算，通過求解三維、定常、黏性流動(dòng)的Navier-Stokes （N-S）方程，獲得防冰腔外部冷空氣流場、防冰腔內(nèi)部熱空氣流場以及蒙皮固壁溫度場。此時(shí)，為干空氣條件下的流場計(jì)算，防冰腔內(nèi)、外表面對流換熱系數(shù)均可通過CFD方法計(jì)算得到。其中，防冰腔外表面對流換熱系數(shù)以外流場環(huán)境溫度為參考溫度換算得到；而防冰腔內(nèi)表面對流換熱系數(shù)則以熱氣總溫作為參考溫度進(jìn)行提取。

1.1.2 水滴撞擊特性計(jì)算

水滴撞擊特性計(jì)算采用歐拉法［31］，引入水滴相體積分?jǐn)?shù)，通過求解水滴相控制方程獲得水滴運(yùn)動(dòng)軌跡及防冰腔外表面局部水收集系數(shù)分布。

水滴相的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可描述為

式中：α為水滴相體積分?jǐn)?shù)；ρd為水滴密度，由于水滴是不可壓縮的，因此式（1）中水滴密度項(xiàng)可約去；ud為水滴速度；CD為阻力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；dd為水滴直徑；ua為空氣速度。

根據(jù)定義，表面局部水收集系數(shù)β的計(jì)算公式為

式中：n為表面撞擊位置的單位法向量；α∞與u∞分別為遠(yuǎn)場區(qū)域位置水滴相體積分?jǐn)?shù)和氣流速度。

將水滴相控制方程展開為Fluent用戶自定義標(biāo)量方程形式，采用Fluent自帶的求解器，實(shí)現(xiàn)水滴相x、y、z方向速度與水滴相體積分?jǐn)?shù)的迭代求解。

1.1.3 防冰熱分析計(jì)算

防冰熱分析計(jì)算采用改進(jìn)的Messinger模型，考慮過冷水滴撞擊防冰腔外表面后未完全蒸發(fā)而形成的溢流流動(dòng)影響，但暫不考慮防冰不足導(dǎo)致溢流冰形成的情況。此時(shí)防冰腔外表面的熱質(zhì)傳遞如圖1［32］所示。

對于防冰腔外表面任意控制體積，在穩(wěn)態(tài)情況下均滿足質(zhì)量守恒與能量守恒，即

圖1 考慮溢流水流動(dòng)的防冰腔外表面熱質(zhì)傳遞［32］Fig.1 Heat and mass transfer on external surface of anti-icing chamber considering runback flow［32］

式中：為溢流流入質(zhì)量流量；為過冷水滴撞擊質(zhì)量流量；為溢流流出質(zhì)量流量；為蒸發(fā)質(zhì)量 流量；為防冰系 統(tǒng)外表 面加熱量；為水滴撞擊帶入的總焓值，包括水滴撞擊動(dòng)能及水滴自身所攜帶的焓；為溢流流入帶入的滯止 焓；為表面 對 流 換 熱量；為 表 面蒸發(fā)帶走的總焓值；為溢流流出帶走的滯止焓。以上各項(xiàng)具體表達(dá)式詳見文獻(xiàn)［32］。

由于防冰表面溢流流動(dòng)主要受氣動(dòng)剪切力與表面壓力梯度驅(qū)動(dòng)，在短艙進(jìn)氣道周向非對稱流場的作用下，會呈現(xiàn)較強(qiáng)的三維特性。如圖2所示，圖中CVi為控制體積，Ai為面法向量，為流入當(dāng)前控制體積的質(zhì)量流量，為流出當(dāng)前控制體積的質(zhì)量流量，i=1,2,…,4，j=1,2，防冰表面任意控制體積與其相鄰的上下游控制體積之間可能存在多個(gè)溢流流入流出面，每個(gè)面上的流入流出質(zhì)量流量可根據(jù)質(zhì)量守恒并結(jié)合氣流流動(dòng)特性計(jì)算得到。

圖2 三維防冰表面溢流分配示意圖Fig.2 Schematic of runback distribution on 3D antiicing surface

通過Fluent用戶自定義函數(shù)（User-Defined Functions ，UDFs），將水滴撞擊、溢流流動(dòng)及表面蒸發(fā)等能量源項(xiàng)引入Fluent計(jì)算的能量方程中，根據(jù)能量守恒在給定的防冰腔外表面溫度邊界條件下求解表面加熱量Q?anti?icing，wet。

以外流環(huán)境溫度為參考溫度，根據(jù)防冰腔外表面加熱量換算得到濕空氣條件下防冰腔外表面等效換熱系數(shù)：

式中：Tw，wet為濕空氣條件下防冰腔外表面溫度；T∞為外流場環(huán)境溫度；A為換熱面積。

考慮固體域?qū)幔€(wěn)態(tài)情況下防冰腔內(nèi)外表面達(dá)到熱平衡：

式中：為防冰腔內(nèi)表面對流換熱量；為固體域?qū)崃?。濕空氣條件下防冰腔內(nèi)表面對流換熱系數(shù)計(jì)算方法與干空氣條件下保持一致，僅防冰腔外表面熱載荷發(fā)生變化，由此可迭代得到濕空氣條件下防冰腔固體域溫度場。

1.2 內(nèi)外流松散耦合迭代策略

1.2.1 干空氣流場計(jì)算

圖3 干空氣流場計(jì)算的內(nèi)外流松散耦合迭代策略Fig.3 Loose-coupling iterative strategy of internal and external flow for flow calculation under dry air condition

干空氣條件下內(nèi)外流松散耦合迭代策略如圖3所示，每一迭代輪次中均包含外流計(jì)算、內(nèi)流與固體域計(jì)算。除第1輪次（Run 1）為初場計(jì)算外，其余輪次（Run 2~N）內(nèi)均先開展內(nèi)流與固體域計(jì)算后再進(jìn)行外流計(jì)算。同一迭代輪次內(nèi)，內(nèi)外流耦合的數(shù)據(jù)交互為：內(nèi)流與固體域計(jì)算獲得的防冰腔外表面溫度分布賦值給外流計(jì)算作為第2類邊界條件。相鄰輪次耦合迭代計(jì)算的數(shù)據(jù)傳遞為：前一輪次（RunN?1）外流計(jì)算獲得的防冰腔外表面對流換熱系數(shù)分布作為后一輪次（RunN）內(nèi)流與固體域計(jì)算的第3類邊界條件。計(jì)算過程中，不斷更新防冰腔外表面對流換熱系數(shù)分布與溫度分布，當(dāng)相鄰迭代輪次的表面平均溫度偏差不超過±0.5 ℃時(shí)，可判定迭代收斂。

1.2.2 濕空氣防冰熱分析計(jì)算

圖4 濕空氣流場計(jì)算的內(nèi)外流松散耦合迭代策略Fig.4 Loose-coupling iterative strategy of internal and external flow for flow calculation under wet air condition

濕空氣條件下，內(nèi)外流松散耦合迭代策略如圖4所示。以干空氣條件下內(nèi)外流耦合計(jì)算的收斂結(jié)果作為初場，引入水滴撞擊對防冰表面換熱特性的影響，外流流場計(jì)算的同時(shí)還需開展防冰表面熱分析計(jì)算。同一迭代輪次中，先開展外流防冰熱分析計(jì)算，提取防冰腔外表面等效換熱系數(shù)作為第3類邊界條件賦值給內(nèi)流與固體域計(jì)算。相鄰迭代輪次中，傳遞的數(shù)據(jù)則為內(nèi)流與固體域計(jì)算獲得的防冰腔外表面溫度分布。在反復(fù)多次耦合迭代后，不斷更新防冰腔外表面參數(shù)，迭代收斂依據(jù)仍為相鄰迭代輪次防冰腔外表面平均溫度偏差不超過±0.5 ℃。

2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算域

短艙笛形管熱氣防冰系統(tǒng)三維全尺寸模型如圖5所示。將短艙所處外流域獨(dú)立為一個(gè)計(jì)算域，防冰腔固體域和內(nèi)流域合并為另一個(gè)計(jì)算域。以防冰腔蒙皮外表面作為兩個(gè)計(jì)算域的耦合面，通過耦合面數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)內(nèi)外流域的耦合迭代。根據(jù)計(jì)算域拆分方式，依次完成外流計(jì)算域和內(nèi)流計(jì)算域的網(wǎng)格劃分。

圖5 計(jì)算模型與內(nèi)外流計(jì)算域Fig.5 Computational model and computational do?mains of internal and external flow

2.2 外流計(jì)算域網(wǎng)格與邊界條件

采用ANSYS ICEM軟件對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。外流計(jì)算域網(wǎng)格如圖6所示，總網(wǎng)格數(shù)約444萬。為了準(zhǔn)確模擬附面層內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)特性，短艙及其延長段的近壁面網(wǎng)格均進(jìn)行了局部加密處理，附面層第1層網(wǎng)格高度約為0.01 mm，保證壁面y+≈1，網(wǎng)格尺度與選用的剪切應(yīng)力輸運(yùn)（Shear Stress Transfer， SST）κ-ω湍流模型相匹配；另外，在進(jìn)氣道唇口附近等流場參數(shù)變化較為劇烈的區(qū)域也適當(dāng)進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。

圖6 外流計(jì)算域網(wǎng)格Fig.6 Mesh for external computational domain

外流計(jì)算域邊界條件設(shè)置如下：外流邊界為壓力遠(yuǎn)場；風(fēng)扇進(jìn)口為壓力出口；進(jìn)氣道防冰腔外表面為內(nèi)外流松散耦合迭代時(shí)的數(shù)據(jù)交互面，盡管該表面邊界類型始終為壁面邊界條件，但賦值的溫度分布會隨迭代輪次不斷更新；除上述邊界以外，其余均為絕熱壁面。

外流計(jì)算選用密度基求解器，流域中空氣物性參數(shù)選用理想氣體模型進(jìn)行計(jì)算。松散耦合迭代過程中每一輪次的外流計(jì)算均同時(shí)監(jiān)控流場殘差、防冰腔外表面平均換熱系數(shù)及風(fēng)扇進(jìn)口流量，計(jì)算收斂后流場結(jié)果才可用于后續(xù)迭代。計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)為各殘差指標(biāo)下降3個(gè)數(shù)量級或殘差曲線不再下降，并且外表面平均換熱系數(shù)和風(fēng)扇進(jìn)口流量保持穩(wěn)定。

2.3 內(nèi)流計(jì)算域網(wǎng)格與邊界條件

內(nèi)流與固體域組成的計(jì)算網(wǎng)格如圖7所示。為精確模擬熱氣由射流孔噴射沖擊至防冰腔內(nèi)表面的過程，需對每個(gè)小孔的射流方向及其沿程周向進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。同時(shí)，由于防冰腔內(nèi)表面射流沖擊流動(dòng)換熱特性較為復(fù)雜，為提高計(jì)算精度，需對內(nèi)表面近壁面網(wǎng)格也進(jìn)行局部加密，第1層網(wǎng)格高度約為0.01 mm，確保壁面y+與SSTκ-ω湍流模型相匹配。三維全環(huán)模型的內(nèi)流與固體域計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為1 822萬。

圖7 內(nèi)流計(jì)算域網(wǎng)格Fig.7 Mesh for internal computational domain

內(nèi)流與固體域計(jì)算邊界條件如下：防冰腔和前隔框的內(nèi)表面均為流固耦合面；前隔框外表面為絕熱壁面；笛形管管壁為定壁溫邊界條件；管壁上均布的射流孔為壓力入口邊界條件；防冰腔外表面仍為內(nèi)外流松散耦合計(jì)算的數(shù)據(jù)交互面，壁面邊界條件賦值的換熱系數(shù)也會隨耦合迭代過程不斷更新。

內(nèi)流與固體域計(jì)算時(shí)，同樣選用密度基求解器，流域中熱空氣物性參數(shù)選用理想氣體模型進(jìn)行計(jì)算。松散耦合迭代過程中每一輪次內(nèi)流與固體域計(jì)算均同時(shí)監(jiān)控流場殘差和防冰腔外表面平均溫度。計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)同樣要求流場殘差與監(jiān)控的表面參數(shù)收斂曲線保持不變。

2.4 計(jì)算工況

計(jì)算工況如表1所示，包括飛行狀態(tài)參數(shù)、結(jié)冰氣象條件以及射流孔出流參數(shù)。

表1 計(jì)算工況Table 1 Computational conditions

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 算例驗(yàn)證

截取短艙進(jìn)氣道12點(diǎn)鐘方向局部模型，依次開展強(qiáng)固耦合計(jì)算與松散耦合計(jì)算，通過對比分析以驗(yàn)證本文松散耦合計(jì)算方法及耦合迭代策略的有效性。圖8為驗(yàn)證模型的幾何及計(jì)算網(wǎng)格。

圖8 計(jì)算方法驗(yàn)證模型及網(wǎng)格Fig.8 Model and mesh for computational method validation

圖9 干空氣條件下強(qiáng)固耦合與松散耦合計(jì)算結(jié)果對比 （z=0）Fig.9 Comparison between tight-coupling and loosecoupling methods under dry air condition （z=0）

圖10 濕空氣條件下強(qiáng)固耦合與松散耦合計(jì)算結(jié)果對比（z=0）Fig.10 Comparison between tight-coupling and loosecoupling methods under wet air condition （z=0）

圖9和圖10分別為干、濕空氣條件下強(qiáng)固耦合計(jì)算方法與松散耦合計(jì)算方法的對比結(jié)果，其中h0為對流換熱系數(shù)基準(zhǔn)值，T0為溫度基準(zhǔn)值，圖9所示干空氣條件下松散耦合計(jì)算結(jié)果為迭代3個(gè)輪次后的收斂結(jié)果，圖10所示濕空氣條件下計(jì)算結(jié)果為迭代4個(gè)輪次后的收斂結(jié)果?？梢钥闯鰞煞N計(jì)算方法所得到的防冰腔內(nèi)外表面各參數(shù)基本保持一致。由此可知，所采用的松散耦合計(jì)算方法及迭代策略可以達(dá)到與強(qiáng)固耦合計(jì)算方法基本一致的仿真精度。

3.2 干空氣流場

圖11 干空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔外表面對流換熱系數(shù)分布Fig.11 Convective heat transfer coefficient distributions on external surface of nacelle inlet anti-icing chamber under dry air condition

圖12 干空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔外表面溫度分布Fig.12 Temperature distributions on external surface of nacelle inlet anti-icing chamber under dry air condition

圖13 干空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)表面對流換熱系數(shù)分布Fig.13 Convective heat transfer coefficient distributions on internal surface of nacelle inlet anti-icing chamber under dry air condition

圖11~圖13為干空氣條件下短艙進(jìn)氣道笛形管防冰腔外表面對流換熱系數(shù)、溫度以及內(nèi)表面對流換熱系數(shù)在內(nèi)外流松散耦合不同迭代輪次下的計(jì)算結(jié)果。在經(jīng)過3個(gè)輪次的內(nèi)外流耦合迭代計(jì)算后，防冰腔內(nèi)外表面各參數(shù)分布逐漸趨于收斂。其中，由于干空氣條件下第1輪次為初場計(jì)算，防冰腔外表面溫度設(shè)置為定壁溫，因此圖12中并未給出該輪次下的溫度分布，但增加了第4輪次內(nèi)流與固體域計(jì)算結(jié)果。對比耦合迭代的第3輪次和第4輪次防冰腔外表面溫度分布可以看出，兩者基本達(dá)到一致。

圖14 干空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)外表面參數(shù)分布曲線（12點(diǎn)鐘方向）Fig.14 Parameter distribution curves on internal and ex?ternal surfaces of nacelle inlet anti-icing chamber under dry air condition （12 o’clock direction）

如圖14所示，取短艙進(jìn)氣道防冰腔在12點(diǎn)鐘方向上的參數(shù)分布曲線，可以更加準(zhǔn)確地分析干空氣條件下內(nèi)外流松散耦合迭代計(jì)算的收斂過程?？梢钥闯觯?輪次防冰腔內(nèi)外表面對流換熱系數(shù)分布均與第2輪次計(jì)算結(jié)果有較為明顯的差距，但第2輪次和第3輪次各參數(shù)分布曲線基本重合；第3、4輪次的表面溫度曲線吻合良好，可達(dá)到迭代收斂要求；防冰腔內(nèi)表面對流換熱系數(shù)分布曲線在迭代過程中變化不大，僅射流駐點(diǎn)區(qū)域隨迭代輪次略有下降。綜上，干空氣條件下防冰腔內(nèi)、外表面平均對流換熱系數(shù)在耦合迭代過程中均呈現(xiàn)先減后增再逼近收斂結(jié)果的變化規(guī)律，而防冰腔外表面平均溫度則先增后減至迭代收斂。

3.3 水滴撞擊特性

圖15 短艙進(jìn)氣道防冰腔外表面局部水收集系數(shù)分布Fig.15 Local collection efficiency distributions on ex?ternal surface of nacelle inlet anti-icing chamber

圖15為短艙進(jìn)氣道防冰腔外表面局部水收集系數(shù)分布，圖中β0為局部水收集系數(shù)基準(zhǔn)值?？梢钥闯觯巫矒魠^(qū)域主要集中在唇口前緣駐點(diǎn)位置附近，且唇口內(nèi)表面撞擊極限要明顯大于唇口外表面，沿唇口周向各截面上局部水收集系數(shù)分布并不均勻，12點(diǎn)鐘方向具有最大的局部水收集系數(shù)峰值和撞擊范圍，而6點(diǎn)鐘方向撞擊范圍明顯減小，3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方向左右對稱，具有相同的局部水收集系數(shù)分布。由于水滴撞擊特性計(jì)算結(jié)果是后續(xù)防冰熱分析計(jì)算的輸入，唇口表面局部水收集系數(shù)的周向分布不均勻性很大程度上會影響濕空氣條件下防冰腔表面的換熱特性及溫度分布。

3.4 濕空氣防冰熱分析

圖16~圖18為濕空氣條件下短艙進(jìn)氣道笛形管防冰腔外表面等效換熱系數(shù)、溫度以及內(nèi)表面對流換熱系數(shù)在內(nèi)外流松散耦合不同迭代輪次下的計(jì)算結(jié)果。相比于干空氣條件，濕空氣條件下耦合迭代輪次明顯增加，這是由于該工況條件下表面撞擊水量不能完全蒸發(fā)并在防冰腔表面形成周向不均勻分布的溢流水流動(dòng)，如圖19所示，其中m0為溢流水質(zhì)量流量基準(zhǔn)值。溢流水量分布與表面換熱特性相互影響，導(dǎo)致表面溫度分布收斂速度減緩。防冰腔外表面由于過冷水滴撞擊引入的熱質(zhì)傳遞源項(xiàng)，濕空氣條件下外表面等效換熱系數(shù)要明顯大于干空氣條件；而對于防冰腔內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，干、濕空氣條件下數(shù)值變化并不大。此外，相較于干空氣條件，濕空氣條件下進(jìn)氣道防冰腔外表面溫度明顯下降，且表面溫度均勻性有所提升。

圖17 濕空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔外表面溫度分布Fig.17 Temperature distributions on external surface of nacelle inlet anti-icing chamber under wet air condition

圖18 濕空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)表面對流換熱系數(shù)分布Fig.18 Convective heat transfer coefficient distributions on internal surface of nacelle inlet anti-icing chamber under wet air condition

圖19 濕空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔外表面溢流水質(zhì)量流量分布（第8輪次迭代）Fig.19 Runback mass flux on external surface of na?celle inlet anti-icing chamber under wet air con?dition （Run 8）

圖20 濕空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)外表面參數(shù)分布曲線（12點(diǎn)鐘方向）Fig.20 Parameter distributions curves on internal and external surfaces of nacelle inlet anti-icing chamber under wet air condition （12 o’clock direction）

結(jié)合圖20所示的短艙進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)外表面各參數(shù)在12點(diǎn)鐘方向上的分布曲線可以看出，在撞擊區(qū)域內(nèi)松散耦合迭代的第1輪次到第4輪次防冰腔外表面溫度下降明顯，且外表面等效換熱系數(shù)分布也發(fā)生較大的變化，但從第5輪次開始到第8輪次計(jì)算結(jié)果都較為接近，尤其在唇口內(nèi)表面各參數(shù)曲線吻合良好，但在唇口外表面撞擊極限之后的蒙皮外表面等效換熱系數(shù)及溫度分布還略有差異?？偟膩碚f，濕空氣條件下防冰腔內(nèi)外表面參數(shù)在耦合迭代過程中所呈現(xiàn)的變化規(guī)律與干空氣條件恰好相反。防冰腔外表面平均等效換熱系數(shù)與內(nèi)表面平均對流換熱系數(shù)在迭代過程中均先增加后減小再逼近收斂，而防冰腔外表面平均溫度則先降低后升高直至迭代收斂。

4 結(jié) 論

針對三維全尺寸短艙進(jìn)氣道笛形管熱氣防冰系統(tǒng)，開展了內(nèi)外流耦合計(jì)算方法研究，結(jié)合進(jìn)氣道防冰計(jì)算流程，確定了干、濕空氣條件下短艙防冰系統(tǒng)內(nèi)外流松散耦合迭代策略及計(jì)算收斂所需的迭代輪次，得到的主要結(jié)論如下：

1）干、濕空氣條件下內(nèi)外流松散耦合迭代均以防冰腔外表面作為內(nèi)、外計(jì)算域的耦合面，并通過耦合面溫度和換熱系數(shù)相互賦值為邊界條件來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外計(jì)算域的數(shù)據(jù)交互，其中濕空氣條件下考慮過冷水滴撞擊引入的熱質(zhì)傳遞影響及三維溢流效應(yīng)，采用防冰腔外表面等效換熱系數(shù)作為耦合面邊界條件。

2）干空氣條件下短艙進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)外流松散耦合僅需3個(gè)輪次的迭代計(jì)算即可收斂。

3）濕空氣條件下進(jìn)氣道防冰腔內(nèi)表面在松散耦合迭代4個(gè)輪次后趨于收斂，但受表面溢流流動(dòng)換熱影響，防冰腔外表面溫度分布在耦合迭代過程中仍有一定波動(dòng)。后續(xù)將針對該問題，對內(nèi)外流耦合迭代策略作進(jìn)一步優(yōu)化。