民用飛機風擋防冰性能評估

徐佳佳 史獻林 霍西恒 /

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

民用飛機風擋防冰性能評估

徐佳佳 史獻林 霍西恒 /

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

民用飛機適航條款要求在結冰條件下應確保風擋外表面不能結冰，防止影響飛行員視界。因此應確保結冰條件下風擋具有足夠的加熱功率使其外表面溫度高于冰點。根據(jù)防冰傳熱傳質機理，利用CFD和Matlab相結合的方法建立了三維風擋熱性能分析模型，對某型民用飛機風擋防冰性能進行評估。具體包括防冰熱載荷確定、表面溫度評估和關鍵參數(shù)校核三部分，并給出了典型飛行工況下風擋防冰熱性能評估算例。

民用飛機；風擋；對流換熱系數(shù)；熱載荷；表面溫度

0 引言

由于高空云層中過冷水滴的存在，飛機穿過云層時，風擋表面可能會產生結冰，影響飛行員的視界，進而危及飛行安全[1]。根據(jù)適航條款CCAR 25.1419和25.773的要求，民用飛機必須保證在附錄C規(guī)定的各種結冰條件下，駕駛員在飛機各種正常姿態(tài)下沿飛行航跡均有充分寬闊的視界[2]。因此民用飛機都配備風擋防冰系統(tǒng)，使用電加熱的方式防止風擋表面結冰。

風擋防冰系統(tǒng)設計過程中，通常使用計算模擬的方式獲得風擋玻璃表面的熱載荷，根據(jù)熱載荷需求設置合適的電加熱功率以保證風擋表面在附錄C規(guī)定的各種結冰條件下不結冰。目前，國內外關于防冰熱載荷計算的研究已經較為成熟，卜雪琴，林貴平[3]利用FLUENT中的歐拉兩相流模型及UDF進行防冰熱載荷計算和表面溫度的預測。針對風擋防冰計算，Ross[4-5]利用量綱分析的方法對風擋表面溫度分布進行預測；韓鳳華[6]等提出了一種可用于工程設計的飛機風擋防冰熱載荷計算方法；徐佳佳[7]利用數(shù)值模擬的方式進行了風擋玻璃電加熱防冰研究。

本文利用CFD與Matlab自編程相結合的方法建立三維風擋防冰計算模型，對某型民用飛機風擋防冰性能進行初步評估，具體包括防冰熱載荷計算、表面溫度計算和關鍵參數(shù)校核計算。對于影響加熱功率的關鍵因素對流換熱系數(shù)，利用低速風洞試驗方法測量不同工況下風擋表面對流換熱系數(shù)，并利用CFD方法建立了一個仿真風洞模型，計算試驗工況下的風擋表面對流換熱系數(shù)，通過測量值來校核CFD計算值，獲得一個修正方法，進行風擋表面的對流換熱系數(shù)校核，并最終使用校核后的對流換熱系數(shù)進行防冰熱載荷、防冰表面溫度計算。

1 計算模型和計算方法

1.1 計算模型建立

計算對象為某型民用飛機機頭，采用ICEM軟件進行機頭非結構化網(wǎng)格劃分，對近壁面附面層進行局部加密。網(wǎng)格總數(shù)230萬，近壁面第一層網(wǎng)格間距為0.01mm，網(wǎng)格質量大于0.2。計算模型網(wǎng)格示意圖見圖1，機身定義為壁面邊界，機身對稱面定義為對稱面邊界。

本文進行的防冰熱載荷、防冰表面溫度計算時在處理玻璃導熱問題上作以下假設：加熱膜加熱功率90%用于外表面防冰。

1.2 計算方法概述

風擋防冰性能計算采用Fluent、FENSAP-ICE[8]和Matlab自編程序共同完成，分為防冰熱載荷確定、表面溫度評估和關鍵參數(shù)校核三部分。首先利用Fluent軟件進行三維機頭外部流場計算，得到Cp、HTC等流場數(shù)據(jù)；然后結合流場計算結果和結冰氣象條件(LWC、MVD)利用FENSAP-ICE軟件進行三維機頭水滴撞擊特性計算，得到局部水收集系數(shù)；最后結合流場、水滴計算結果，利用Matlab自編程序進行防冰熱載荷和表面溫度計算。

1.3 計算程序編寫

在流場數(shù)據(jù)和水滴場數(shù)據(jù)的基礎上防冰熱載荷計算采用Matlab自編程序完成，思路為：給定飛行、結冰條件，防冰表面溫度設置為1.7℃[9]，計算防冰熱載荷。

根據(jù)SAE AIR1168/4，風擋外表面熱載荷計算公式為：

對流換熱熱流計算：

水蒸發(fā)散熱熱流計算：

式中，ξw為濕潤系數(shù)，取0.4；es為飽和水蒸汽壓；P0,P1分別為自由來流的氣壓和附面層外邊界上的氣壓。溫度-飽和水蒸汽壓對應關系如圖2所示。

附面層摩擦加熱熱流計算：

加熱過冷水滴所需的熱流計算：

W為水收集量，計算公式為：

LWC為液態(tài)水含量；β為水收集系數(shù)。

水滴動能轉變成的熱流計算公式：

將式(2)～(7)代入式(1)并化簡得到：

根據(jù)式(8)推導得表面溫度計算公式：

式中，未知數(shù)為ts(表面溫度)和es(飽和水蒸氣壓)，其中溫度-飽和水蒸汽壓的關系可以根據(jù)圖4查表插值計算得到，因此可以利用matlab編程迭代計算求解表面溫度ts。

1.4 關鍵參數(shù)校核

考慮到風擋在機頭的安裝位置，風擋處的流動處于湍流的充分發(fā)展區(qū)，對于該區(qū)域，水滴蒸發(fā)相對于對流換熱的熱流項較小，所以影響風擋防冰熱載荷和表面溫度分布的關鍵因素是表面對流換熱系數(shù)。為了獲得準確的對流換熱系數(shù)，本文在低速風洞中測量了不同工況下風擋表面對流換熱系數(shù)，并利用CFD方法建立了一個仿真風洞模型，計算試驗工況下的風擋表面對流換熱系數(shù)，通過測量值來校核CFD的計算值，獲得一個修正方法，確定了對流換熱系數(shù)的修正系數(shù)為1.2[10]，最終使用這個修正方法計算獲得其他工況下的對流換熱系數(shù)。

2 計算結果

選取典型飛行工況，計算連續(xù)最大結冰狀態(tài)下風擋防冰熱載荷與表面溫度，狀態(tài)點見表1。

表1 風擋防冰熱載荷計算狀態(tài)點

2.1 流場計算結果

利用Fluent軟件進行3D機頭流場計算，邊界條件設置為：遠場邊界定義為壓力遠場，機身定義為絕熱壁面邊界，機身對稱面定義為對稱邊界，主風擋區(qū)域定義為恒熱流壁面邊界，能量方程開啟，湍流模型采用S-A模型。

流場計算主要為了得到風擋表面修正的表面對流換熱系數(shù)(HTC)分布和表面壓力系數(shù)(Cp)分布，計算結果如圖3和圖4所示。

可以看出典型工況下的主風擋表面的對流換熱系數(shù)在130 W/m2·K～250 W/m2·K的范圍內，分布較為合理。

2.2 水滴撞擊特性計算

基于流場的計算結果，采用FENSAP-ICE軟件的DROP3D模塊進行機頭3D水滴撞擊特性的計算，邊界條件與機頭流場計算時相同，同時增加結冰氣象參數(shù)(LWC和MVD)，機頭局部水收集分布的計算結果如圖5所示。

計算結果顯示，風擋表面的水撞擊區(qū)域基本位于靠近中間窗框處，且風擋上邊緣的水收集較下邊緣多，而且整體水收集量較小。這與該型飛機機頭形狀有一定關系，機頭類似鈍頭體，水滴撞擊主要集中在雷達罩附近，風擋的安裝處水收集量較小。

2.3 熱載荷與表面溫度計算

得到風擋表面水滴撞擊特性結果后，利用1.3節(jié)的各項熱流公式，采用Matlab編程進行防冰熱載荷與表面溫度計算，具體思路為：

1)在保證外表面不結冰的條件下(ts>1.7℃)計算風擋防冰熱載荷，如圖6所示；

2)在給定的加熱功率(額定功率7 752 W/m2)條件下計算風擋表面溫度，如圖7所示。

case1和case2的防冰熱載荷與表面溫度分布計算結果分別如圖8和圖9所示。

根據(jù)圖8和圖9，在滿足主風擋表面溫度不低于1.7℃的防冰要求時，case1與case2的防冰熱載荷需求在2 000 W/m2～3 400 W/m2左右。主風擋在7 752W/m2的額定加熱功率下，外表面溫度均高于0℃，平均溫度在13℃～22℃左右，主風擋外表面加熱區(qū)域內不會結冰，滿足風擋加熱系統(tǒng)的性能需求。

在通常情況下，對于大部分結冰條件，風擋加熱功率輸出3 W/in2～4.5 W/in2(4 650 W/m2～6 975 W/m2)足夠為風擋提供很好的防冰保護[9]，而該型飛機主風擋的加熱功率為5.5 W/in2(7 752 W/m2)，可以認為系統(tǒng)設計是偏保守的。

3 結論

本文通過熱流分析方法建立風擋防冰熱力學模型，利用CFD和Matlab自編程相結合的方法進行防冰防冰熱載荷計算和表面溫度評估。對于影響計算結果的關鍵因素對流換熱系數(shù)，利用低速風洞試驗進行修正，并給出兩個典型飛行工況下風擋防冰熱載荷與表面溫度的算例。計算結果表明：在設定的額定加熱功率下，風擋防冰性能滿足設計要求。該工程算法可用于指導風擋防冰系統(tǒng)設計與性能分析。

[1] 裘燮綱,韓鳳華.飛機防冰系統(tǒng)[M]．航空專業(yè)教材編審組出版,1985年6月．

[2] 中國民航局.CCAR25-R3中國民用航空規(guī)章第25部:運輸類飛機適航標準[S].中國:中國民用航空局,2001.

[3]卜雪琴,林貴平.基于 CFD的水收集系數(shù)及防冰表面溫度預測[J].北京航空航天大學學報,2007,33(10):1182-1185.

[4] Ross R. The use of similitude in analyzing aircraft windshield anti-icing performance[C]// AIAA Aircraft systems And Technology meeting, 1979, AIAA-79-1822.

[5] Ross R. Analysis of an airplane windshield anti-icing system[C]// AIAA 9th Atmosphere Flight Mechanics Conference, 1982, AIAA-82-1372.

[6] 韓鳳華,左顏聲,李東亮.飛機風擋防冰熱載荷計算[J].航空學報,1995,16(1):33-37.

[7] 徐佳佳.飛機風擋玻璃電加熱防冰研究[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[8] Baruzzi G, Tran P, Habashi W G. Actuator disk implementation in FENSAPICE, a 3D Navier Stokes in-flight icing simulation system[R].2003, AIAA-2003-0619.

[9] Ice, Rain, Fog and Frost Protection: SAE AIR 1168/4[S]. U.S.A: Society of Automotive Engineers, 1990.

[10] 徐佳佳,史獻林，王向轉.民用飛機風擋表面對流換熱系統(tǒng)的校核[J].民用飛機設計與研究,2015,1:87-90.

Performance Analysis for Civil Aircraft Windshield Anti-ice System

XU Jiajia SHI Xianlin HUO Xiheng

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

According to civil aircraft airworthiness standards, the windshield surface should avoid icing to ensure the pilot’s visual field. A reasonable heating power should be determined to prevent windshield icing. Based on the heat and mass transfer theory, a 3D thermal analysis model has been developed for civil aircraft windshield anti-ice system performance analysis by making use of CFD and Matlab, including anti-ice thermal load determination, surface temperature evaluation and critical parameter modification. Performance calculation of two typical flight cases has been given at the end of this paper.

civil aircraft; windshield; surface temperature; anti-ice; thermal load

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.012

徐佳佳男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機防冰除雨系統(tǒng)設計。Tel: 021-20866882,E-mail: xujiajia@comac.cc

V244.1+5

：A

史獻林男，碩士，高級工程師。主要研究方向：民用飛機防冰除雨系統(tǒng)設計。Tel: 021-20866876,E-mail: shixianlin@comac.cc

霍西恒男，碩士，高級工程師。主要研究方向：民用飛機防冰除雨系統(tǒng)設計。Tel: 021-20866874，E-mail: huoxiheng@comac.cc