結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱氣防冰系統(tǒng)性能影響的數(shù)值模擬*

西北工業(yè)大學力學與土木建筑學院飛行器可靠性工程研究所 姚會舉 劉永壽 張 峰 南 華

飛機以亞音速在含過冷水滴的云層中飛行時，由于云層中過冷水滴對機翼的撞擊作用，可能發(fā)生機翼積冰現(xiàn)象，而機翼積冰會對飛機產(chǎn)生很大的危害，不僅增加飛機負重，而且會使飛機的空氣動力學性能惡化，升力減小，阻力增大，輕者影響飛機的穩(wěn)定性和操作性，重者甚至會引發(fā)機毀人亡的飛行事故[1-2]。

防冰系統(tǒng)性能的好壞直接影響著飛機的防/除冰能力，進而影響飛行安全，其設計一直是生命保障和環(huán)控系統(tǒng)設計的一個重要組成部分[3]。飛機防冰系統(tǒng)按防/除冰方式的不同可分為機械除冰、液體防冰、電熱防/除冰和熱氣防/除冰。由于穩(wěn)定性、簡易性以及經(jīng)濟性等方面的優(yōu)勢，大部分現(xiàn)役客機機翼采用熱氣防冰系統(tǒng)。然而，熱氣防冰系統(tǒng)存在著防冰熱氣有效利用率不高，大量熱氣未經(jīng)充分利用即被排出的缺陷。因此，為提高飛機性能，研究防冰腔結(jié)構(gòu)對熱氣防冰系統(tǒng)性能的影響有重要意義。

有關機翼氣熱防/除冰的理論、試驗以及仿真分析也得到了廣泛開展。Planquart等[4]采用熱薄膜方法，借助紅外溫度記錄儀試驗測得了叉排直噴式熱氣防冰腔內(nèi)蒙皮表面的換熱系數(shù)分布情況，并與Fluent仿真結(jié)果一致，得出防冰腔的換熱性能與射流孔的弦向和展向分布間距以及熱氣的沖擊雷諾數(shù)有關。Farooq等[5]利用一種基于基因算法的優(yōu)化程序確定了熱氣防冰腔的典型參數(shù)，并通過算例驗證了算法的可行性。卜雪琴等[6]對熱氣防冰系統(tǒng)中短小銷釘對強化傳熱性能的影響進行了研究。

結(jié)構(gòu)參數(shù)對直噴式雙蒙皮防冰腔防冰熱性能的影響目前在國內(nèi)的研究還不多見。本文通過數(shù)值模擬來評估射流孔到蒙皮沖擊面距離H和射流孔孔徑d對防冰熱性能的影響。采用計算流體力學CFD方法，對不同結(jié)構(gòu)尺寸的直噴式雙蒙皮防冰腔進行了仿真，目的是獲得不同結(jié)構(gòu)尺寸因素對強化傳熱系數(shù)和防冰效率的影響，為熱氣防冰系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供指導。

1 數(shù)學模型

由于防冰腔內(nèi)為射流孔高速噴出的熱氣，熱氣在防冰腔內(nèi)流動，受腔內(nèi)結(jié)構(gòu)、熱氣速度的影響，其流動形式為湍流，為準確模擬熱氣在防冰腔內(nèi)的流動，仿真計算采用Spalart-Allaras(簡稱S-A)湍流模型，S-A湍流模型對沖擊射流曲面的流動問題具有計算簡單、與試驗結(jié)果吻合較好等優(yōu)點[7-8]。S-A湍流模型是渦粘性模型,其核心思想是通過求解中間變量 的輸運方程來獲得湍流粘度μt的輸運方程為[9]：

求得后，湍流粘度μt通過濕潤系數(shù)獲得：

2 計算模型

本文針對直噴式雙蒙皮防冰腔結(jié)構(gòu)模型開展分析，引氣系統(tǒng)從發(fā)動機引來的熱氣經(jīng)過管路流到機翼前緣中的笛形管內(nèi)，熱氣從笛形管壁上的射流孔噴射到防冰腔前腔，加熱蒙皮表面，熱氣經(jīng)過雙蒙皮防冰通道后流到后腔，并從后腔的排氣口排出。為方便網(wǎng)格劃分，將防冰腔出口簡化為方形出口，防冰腔示意圖如圖1所示。

圖1 防冰腔示意圖Fig.1 Diagram of anti-icing cavity

蒙皮厚度1.5mm，笛形管直徑40mm，上面分布雙排直徑為d的圓形射流孔，射流孔間距為25mm，將熱氣從射流孔噴出，沿軸線到達蒙皮距離記為H，d和H如圖2所示，其尺寸參數(shù)范圍如表1所示。射流孔按照排列方式可以分為平行排列和交叉排列兩種，如圖3所示。

為了研究射流孔噴射距離H、射流孔孔徑d以及射流孔的排列形式對強化防冰腔傳熱系數(shù)和防冰效率的影響，設計了3組幾何尺寸不同的防冰腔模型，分別為：(1)H相同但d與H比值不同，即射流孔的孔徑不同的平行排列； (2)兩者之比相同但H不同的平行陣列；(3)對應相同d與H比值的交叉排列。具體參數(shù)如表2所示。

圖2 d、H 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of d, H

表1 幾何尺寸參數(shù)范圍

圖3 笛形管結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.3 Diagram of piccolo tube structure size

表2 模型具體參數(shù)

防冰腔流域計算模型采用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，如圖4所示，在蒙皮、防冰腔前腔近壁面部分采用附面層網(wǎng)格，保障蒙皮網(wǎng)格的密度與質(zhì)量，并在射流口區(qū)域進行網(wǎng)格局部加密，最終網(wǎng)格總數(shù)在63萬左右。這樣既保證了關注地方的網(wǎng)格細化，同時網(wǎng)格總量不會太大，加快流場計算速度。

圖4 防冰腔網(wǎng)格Fig.4 Anti-icing cavity mesh

3 邊界條件

將射流孔處設置為壓力入口，射流孔處壓力0.2MPa，熱氣溫度200℃；出口處設置為與環(huán)境壓力相同的壓力出口，外部環(huán)境溫度設置為-10℃；兩側(cè)擋板設為對稱邊界；防冰腔內(nèi)、外蒙皮和擋板設為壁面邊界條件。

防冰腔采用S-A湍流模型，比較適合沖擊射流曲面的流動計算，開啟能量方程，控制方程的離散采用控制容積法，對流項差分格式采用二階迎風格式，采用Simple算法求解方程。監(jiān)控出口溫度變化以及殘差來判斷計算的收斂，收斂精度為105。

仿真計算中，由于流場結(jié)構(gòu)復雜，不易收斂，通過調(diào)整松弛因子大小來控制收斂。判定是否收斂一般有殘差監(jiān)視和表面溫度平衡兩種方式。計算完成后，通過檢驗計算流域的質(zhì)量和能量是否守恒來進一步驗證收斂性。

4 計算結(jié)果分析與討論

4.1 數(shù)據(jù)處理

Fluent仿真計算收斂后得到防冰腔外蒙皮表面溫度分布受熱氣流對防水腔前緣內(nèi)表面的沖擊影響，在前緣駐點附近蒙皮溫度達到最高值，蒙皮溫度沿弦向遞減，防冰腔下表面末端達到最低值，溫差達60K左右。上表面受雙蒙皮通道影響，在進入雙蒙皮通道之后的防冰區(qū)域蒙皮溫度有一個明顯上升趨勢，而后再沿弦向遞減，整體來看，上蒙皮表面溫度比下表面溫度高。由于氣流在雙蒙皮通道與蒙皮接觸更充分，換熱效果明顯優(yōu)于下表面區(qū)域，根據(jù)參考文獻[10]中相似工況下仿真結(jié)果，可知本文仿真具有一定的參考價值。

為了對防冰腔防冰性能進行直觀描述，本文引用防冰效率η的概念[11-12]，防冰效率是指系統(tǒng)所提供的熱氣能量中用于加熱防冰表面的百分比，計算公式如下：

式中，Tinlet、Toutlet分別為防冰系統(tǒng)供氣溫度和排氣溫度，Twall為防冰區(qū)蒙皮平均溫度。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 幾何尺寸的影響

分析1～5號模型的結(jié)果數(shù)據(jù)來研究射流孔孔徑對流動換熱的影響。圖5、圖6分別為蒙皮表面平均傳熱系數(shù)h和模型的熱氣有效利用率η與d/H的關系。從圖5中可以看出，隨著d/H的增大，模型強化蒙皮表面平均傳熱系數(shù)明顯增大，模型的熱氣有效利用率η不斷下降。也就是說，在相同射流孔到蒙皮沖擊面距離的情況下，射流孔孔徑越大，強化傳熱效果越強，但是用于防冰的熱氣有效利用率也越低。這表明，雖然增大射流孔孔徑即增大熱氣量可以使蒙皮的傳熱效果得到強化，但用于防冰的熱氣比例卻在降低，過低的防冰熱效率會加大發(fā)動機的負擔。

圖5 平均傳熱系數(shù)h隨d / H的變化Fig.5 Varitions of average heat transfer coefficient h with d / H

圖6 熱氣有效利用率η隨d / H的變化Fig.6 Varitions of thermal efficiency η with d / H

表3 1～5號模型對比3號模型換熱和熱效率的變化

表3中所示為以3號模型的數(shù)據(jù)為基準，其他模型內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和熱氣效率相對變化值，負號表示相對減小?？梢钥闯觯?號模型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大了45.9%，但熱氣效率卻減小了12.58%，說明為了增大表面換熱系數(shù)而采用如此大的d/H帶來熱氣效率的損失過大，該模型是不合適的。強化換熱和降低熱效率之間的平衡點應該在實際應用中根據(jù)經(jīng)驗需求數(shù)據(jù)酌情而定，d/H要適中。

分析6～10號模型的結(jié)果數(shù)據(jù)來研究d/H相同下射流孔到蒙皮沖擊面距離的變化對流動換熱的影響。表4為以3號模型的數(shù)據(jù)為基準，其他模型蒙皮表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和熱氣效率的相對變化值。可以看出，在d/H相同下傳熱系數(shù)和熱氣效率相對變化不大，幅度都在6%以內(nèi)，可知d與H的比值是影響防冰腔性能的一個重要因素。

表4 6～10號模型對比3號模型換熱和熱效率的變化

4.2.2 射流孔排列形式的影響

表5給出了對應結(jié)構(gòu)尺寸相同的射流孔平行、交叉排列形式時的強化換熱和熱氣效率變化百分比?？梢钥吹剑c平行排列相比，交叉排列形式的模型的表面換熱系數(shù)與傳熱效率都略大，這是由于交叉排列射流孔噴出的熱氣與防冰腔內(nèi)表面的沖擊面積更大，熱交換更充分，因此同樣條件下交叉排列的防冰效果優(yōu)于平行排列。

表5 平行和交叉排列對強化換熱和效率的影響

5 結(jié)論

本文對熱氣防冰系統(tǒng)中笛形管位置與射流孔孔徑強化傳熱效果進行了研究，定量分析了射流孔噴射距離、射流孔孔徑以及射流孔排列形式對換熱以及傳熱效率的影響，為防冰腔的改進設計提供參考。得出結(jié)論如下：

(1)射流孔孔徑d和射流孔與蒙皮沖擊面距離H的比值能夠較大程度地影響換熱與傳熱效率。d/H越大，即H為定值時，射流孔孔徑d越大，蒙皮換熱系數(shù)越高。但是，對于較大的射流孔，防冰系統(tǒng)的傳熱效率也相應的降低。

(2)交叉排列形式模型的表面換熱系數(shù)與傳熱效率都略大，防冰效果優(yōu)于同等條件下平行排列的模型。

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