基于FENSAP的冰積聚模擬分析

范紹強(qiáng)

摘 要：飛機(jī)積冰是飛機(jī)在積冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的液態(tài)水在部件表面凍結(jié)并積聚成冰的物理過(guò)程。結(jié)冰不僅增加飛機(jī)重量，而且破壞翼型的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致阻力增加、升力下降、失速迎角減小，嚴(yán)重降低飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性。基于FENSAP-ICE，采用數(shù)值模擬的手段，對(duì)二維翼型的結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行了研究，為分析結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響、確定防護(hù)范圍，進(jìn)行飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：FENSAP-ICE 數(shù)值模擬 冰積聚

中圖分類(lèi)號(hào)：V211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0233-02

在飛機(jī)防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用不同的防冰方法時(shí)，防護(hù)范圍的確定原則亦不同，對(duì)于除冰系統(tǒng)，需要根據(jù)除冰系統(tǒng)能夠有效除去的最小結(jié)冰厚度確定防護(hù)范圍；對(duì)于防冰系統(tǒng)，則根據(jù)防護(hù)表面的可能結(jié)冰范圍確定，一般情況下，可將不同條件下的水滴撞擊范圍作為防護(hù)范圍。另外，可以根據(jù)實(shí)際情況，評(píng)估部分表面不采取防護(hù)措施時(shí)，對(duì)飛機(jī)安全飛行及相關(guān)性能的危害，從而適當(dāng)減小防護(hù)范圍以減少防冰能量的消耗。

1 計(jì)算模型

1.1 水滴撞擊范圍確定方法

空氣中含有的過(guò)冷水滴可看作兩種狀態(tài)，一種是將水滴看做粒子，在空氣的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，并在慣性的作用下，脫離氣流軌跡，撞擊到飛機(jī)表面；另一種是將空氣中分布的水滴看做與空氣相同的連續(xù)分布的介質(zhì)，采用與計(jì)算空氣流場(chǎng)相同的方法計(jì)算水滴在空間內(nèi)的分布，從而得到水滴撞擊范圍。這兩種方法，前者稱(chēng)為拉格朗日法，后者稱(chēng)為歐拉法。FENSAP計(jì)算采用N-S方程求解空氣流場(chǎng)，水滴撞擊范圍的確定采用歐拉法。結(jié)冰模型中考慮了結(jié)冰表面水膜流動(dòng)的微分方程，在Spalart-Allmaras一方程湍流模型中考慮結(jié)冰表面粗糙度的影響。

1.1.1 空氣和水滴運(yùn)動(dòng)控制方程

采用歐拉坐標(biāo)系下的空氣-過(guò)冷水滴兩相流控制方程，流體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒三大定律，分別表示為：

（1）質(zhì)量守恒方程（Mass Conservatio

n Equation）

質(zhì)量守恒定律的物理意義是：?jiǎn)挝粫r(shí)間微元內(nèi)流體質(zhì)量的增加量等于同一時(shí)間內(nèi)流入該微元的質(zhì)量?jī)粼隽俊?shù)學(xué)表達(dá)式為：

tion Equation）

能量守恒定律的物理意義是：流體微元的能量增加率等于單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流體微元的加熱量與對(duì)流體微元做功的代數(shù)和，其本質(zhì)就是熱力學(xué)第一定律。對(duì)空氣，其具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)冰問(wèn)題作為困擾民用航空界的氣象安全問(wèn)題之一，幾十年來(lái)一直受到研究者們的高度關(guān)注。本文通過(guò)計(jì)算某飛機(jī)翼型流場(chǎng)、水滴撞擊特性和冰積聚，可以看到，基于FENSAP的數(shù)值模擬是進(jìn)行結(jié)冰分析的有效方法，有助于理解結(jié)冰機(jī)理，分析結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響，確定采用防冰系統(tǒng)時(shí)的防護(hù)范圍，為飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 裘燮綱.飛機(jī)防冰系統(tǒng)[M].南京：南京航空航天大學(xué)出版，1996.

[2] 中國(guó)民用航空總局.CCAR-25中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸機(jī)類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空總局，2011.

[3] F.Morency，G.S.Baruzzi， W.G.Habashi，et al. FENSAP-ICE：A comprehensive 3D simulation system for Inflight icing.2001.endprint

摘 要：飛機(jī)積冰是飛機(jī)在積冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的液態(tài)水在部件表面凍結(jié)并積聚成冰的物理過(guò)程。結(jié)冰不僅增加飛機(jī)重量，而且破壞翼型的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致阻力增加、升力下降、失速迎角減小，嚴(yán)重降低飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性?；贔ENSAP-ICE，采用數(shù)值模擬的手段，對(duì)二維翼型的結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行了研究，為分析結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響、確定防護(hù)范圍，進(jìn)行飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：FENSAP-ICE 數(shù)值模擬 冰積聚

中圖分類(lèi)號(hào)：V211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0233-02

在飛機(jī)防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用不同的防冰方法時(shí)，防護(hù)范圍的確定原則亦不同，對(duì)于除冰系統(tǒng)，需要根據(jù)除冰系統(tǒng)能夠有效除去的最小結(jié)冰厚度確定防護(hù)范圍；對(duì)于防冰系統(tǒng)，則根據(jù)防護(hù)表面的可能結(jié)冰范圍確定，一般情況下，可將不同條件下的水滴撞擊范圍作為防護(hù)范圍。另外，可以根據(jù)實(shí)際情況，評(píng)估部分表面不采取防護(hù)措施時(shí)，對(duì)飛機(jī)安全飛行及相關(guān)性能的危害，從而適當(dāng)減小防護(hù)范圍以減少防冰能量的消耗。

1 計(jì)算模型

1.1 水滴撞擊范圍確定方法

空氣中含有的過(guò)冷水滴可看作兩種狀態(tài)，一種是將水滴看做粒子，在空氣的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，并在慣性的作用下，脫離氣流軌跡，撞擊到飛機(jī)表面；另一種是將空氣中分布的水滴看做與空氣相同的連續(xù)分布的介質(zhì)，采用與計(jì)算空氣流場(chǎng)相同的方法計(jì)算水滴在空間內(nèi)的分布，從而得到水滴撞擊范圍。這兩種方法，前者稱(chēng)為拉格朗日法，后者稱(chēng)為歐拉法。FENSAP計(jì)算采用N-S方程求解空氣流場(chǎng)，水滴撞擊范圍的確定采用歐拉法。結(jié)冰模型中考慮了結(jié)冰表面水膜流動(dòng)的微分方程，在Spalart-Allmaras一方程湍流模型中考慮結(jié)冰表面粗糙度的影響。

1.1.1 空氣和水滴運(yùn)動(dòng)控制方程

采用歐拉坐標(biāo)系下的空氣-過(guò)冷水滴兩相流控制方程，流體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒三大定律，分別表示為：

（1）質(zhì)量守恒方程（Mass Conservatio

n Equation）

質(zhì)量守恒定律的物理意義是：?jiǎn)挝粫r(shí)間微元內(nèi)流體質(zhì)量的增加量等于同一時(shí)間內(nèi)流入該微元的質(zhì)量?jī)粼隽?。?shù)學(xué)表達(dá)式為：

tion Equation）

能量守恒定律的物理意義是：流體微元的能量增加率等于單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流體微元的加熱量與對(duì)流體微元做功的代數(shù)和，其本質(zhì)就是熱力學(xué)第一定律。對(duì)空氣，其具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)冰問(wèn)題作為困擾民用航空界的氣象安全問(wèn)題之一，幾十年來(lái)一直受到研究者們的高度關(guān)注。本文通過(guò)計(jì)算某飛機(jī)翼型流場(chǎng)、水滴撞擊特性和冰積聚，可以看到，基于FENSAP的數(shù)值模擬是進(jìn)行結(jié)冰分析的有效方法，有助于理解結(jié)冰機(jī)理，分析結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響，確定采用防冰系統(tǒng)時(shí)的防護(hù)范圍，為飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 裘燮綱.飛機(jī)防冰系統(tǒng)[M].南京：南京航空航天大學(xué)出版，1996.

[2] 中國(guó)民用航空總局.CCAR-25中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸機(jī)類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空總局，2011.

[3] F.Morency，G.S.Baruzzi， W.G.Habashi，et al. FENSAP-ICE：A comprehensive 3D simulation system for Inflight icing.2001.endprint

摘 要：飛機(jī)積冰是飛機(jī)在積冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的液態(tài)水在部件表面凍結(jié)并積聚成冰的物理過(guò)程。結(jié)冰不僅增加飛機(jī)重量，而且破壞翼型的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致阻力增加、升力下降、失速迎角減小，嚴(yán)重降低飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性?；贔ENSAP-ICE，采用數(shù)值模擬的手段，對(duì)二維翼型的結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行了研究，為分析結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響、確定防護(hù)范圍，進(jìn)行飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：FENSAP-ICE 數(shù)值模擬 冰積聚

中圖分類(lèi)號(hào)：V211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0233-02

在飛機(jī)防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用不同的防冰方法時(shí)，防護(hù)范圍的確定原則亦不同，對(duì)于除冰系統(tǒng)，需要根據(jù)除冰系統(tǒng)能夠有效除去的最小結(jié)冰厚度確定防護(hù)范圍；對(duì)于防冰系統(tǒng)，則根據(jù)防護(hù)表面的可能結(jié)冰范圍確定，一般情況下，可將不同條件下的水滴撞擊范圍作為防護(hù)范圍。另外，可以根據(jù)實(shí)際情況，評(píng)估部分表面不采取防護(hù)措施時(shí)，對(duì)飛機(jī)安全飛行及相關(guān)性能的危害，從而適當(dāng)減小防護(hù)范圍以減少防冰能量的消耗。

1 計(jì)算模型

1.1 水滴撞擊范圍確定方法

空氣中含有的過(guò)冷水滴可看作兩種狀態(tài)，一種是將水滴看做粒子，在空氣的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，并在慣性的作用下，脫離氣流軌跡，撞擊到飛機(jī)表面；另一種是將空氣中分布的水滴看做與空氣相同的連續(xù)分布的介質(zhì)，采用與計(jì)算空氣流場(chǎng)相同的方法計(jì)算水滴在空間內(nèi)的分布，從而得到水滴撞擊范圍。這兩種方法，前者稱(chēng)為拉格朗日法，后者稱(chēng)為歐拉法。FENSAP計(jì)算采用N-S方程求解空氣流場(chǎng)，水滴撞擊范圍的確定采用歐拉法。結(jié)冰模型中考慮了結(jié)冰表面水膜流動(dòng)的微分方程，在Spalart-Allmaras一方程湍流模型中考慮結(jié)冰表面粗糙度的影響。

1.1.1 空氣和水滴運(yùn)動(dòng)控制方程

采用歐拉坐標(biāo)系下的空氣-過(guò)冷水滴兩相流控制方程，流體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒三大定律，分別表示為：

（1）質(zhì)量守恒方程（Mass Conservatio

n Equation）

質(zhì)量守恒定律的物理意義是：?jiǎn)挝粫r(shí)間微元內(nèi)流體質(zhì)量的增加量等于同一時(shí)間內(nèi)流入該微元的質(zhì)量?jī)粼隽?。?shù)學(xué)表達(dá)式為：

tion Equation）

能量守恒定律的物理意義是：流體微元的能量增加率等于單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流體微元的加熱量與對(duì)流體微元做功的代數(shù)和，其本質(zhì)就是熱力學(xué)第一定律。對(duì)空氣，其具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)冰問(wèn)題作為困擾民用航空界的氣象安全問(wèn)題之一，幾十年來(lái)一直受到研究者們的高度關(guān)注。本文通過(guò)計(jì)算某飛機(jī)翼型流場(chǎng)、水滴撞擊特性和冰積聚，可以看到，基于FENSAP的數(shù)值模擬是進(jìn)行結(jié)冰分析的有效方法，有助于理解結(jié)冰機(jī)理，分析結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響，確定采用防冰系統(tǒng)時(shí)的防護(hù)范圍，為飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 裘燮綱.飛機(jī)防冰系統(tǒng)[M].南京：南京航空航天大學(xué)出版，1996.

[2] 中國(guó)民用航空總局.CCAR-25中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸機(jī)類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空總局，2011.

[3] F.Morency，G.S.Baruzzi， W.G.Habashi，et al. FENSAP-ICE：A comprehensive 3D simulation system for Inflight icing.2001.endprint