防冰支板氣膜縫出流對水滴撞擊特性的影響

劉 華，楊 軍

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

防冰支板氣膜縫出流對水滴撞擊特性的影響

劉 華，楊 軍

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

為研究防冰支板氣膜縫出流對其表面水滴撞擊特性的影響，利用Fluent軟件的離散相模型，在不同氣膜縫出流位置、出流角度、寬度及出流流量條件下對防冰支板表面水滴撞擊特性進行了計算。結(jié)果表明：水滴撞擊極限隨氣膜縫出流流量的增大而減小；水滴局部撞擊效率受氣膜縫出流位置的影響，并隨出流角度、出流流量的增大而減??；水滴總撞擊效率隨氣膜縫出流位置的前移、出流角度的增大和出流流量的增加而減?。粴饽じ采w效果隨氣膜縫出流角度的減小、寬度的增大和出流流量的增加而更好。

航空發(fā)動機；防冰系統(tǒng)；防冰支板；水滴撞擊特性；氣膜縫出流

1 引言

飛機在溫度較低、濕度較大的氣象條件下飛行時，空氣中的過冷水滴會撞擊在發(fā)動機防冰部件上發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。因此，研究防冰部件表面的水滴撞擊特性對發(fā)動機運行安全具有重要意義。國外對水滴撞擊特性的研究起步較早，計算方法也有較大的發(fā)展[1-3]，且已開發(fā)出多個計算軟件[4-7]進行水滴撞擊特性分析。國內(nèi)也越來越重視水滴撞擊特性的研究，計算方法從二維[8]發(fā)展到三維[9]，計算對象從機翼[10]、進氣道[11]等靜止件發(fā)展到旋轉(zhuǎn)件[12]，水滴直徑從常規(guī)尺寸擴展到多尺寸[13]和大尺寸[14]。

防冰支板中常利用熱氣氣膜出流來強化換熱和形成保護膜，出流的空氣會改善防冰支板表面的水滴撞擊特性，可有效提高發(fā)動機防冰系統(tǒng)性能[15]。本文在計算防冰支板流場的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件中的DPM模型對開有氣膜縫的防冰支板表面的水滴撞擊特性進行計算分析。通過改變防冰支板氣膜縫的出流位置、出流角度、出流流量和寬度，來研究水滴撞擊極限、總撞擊效率、局部撞擊效率的變化，以期為防冰支板結(jié)構(gòu)優(yōu)化和發(fā)動機防冰系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

2 水滴撞擊特性參數(shù)定義[16]

圖1為支板表面水滴撞擊示意圖。圖中，S ＝U、S ＝L分別代表葉型表面計自前緣駐點的上、下弧長，位于S ＝U和S ＝L以外的葉型表面不發(fā)生水滴撞擊；Y ＝U、Y ＝L分別表示與葉型上、下表面相切的水滴軌跡在支板前方較遠處與前緣駐點水滴軌跡的距離；dy0為微元上、下界限相對應(yīng)的水滴起始軌跡距離；ds為微元弧長；dy為微元迎風(fēng)寬度；B為支板迎風(fēng)寬度。

2.1 撞擊極限

水滴撞擊到支板表面上的最遠位置是確定支板結(jié)冰區(qū)域和防冰范圍的重要依據(jù)。支板表面實際的水滴撞擊極限S ＝m定義為，水滴與支板表面上、下兩條相切軌跡所包圍的表面弧長S(S=S ＝U+S ＝L)與支板迎風(fēng)寬度之比：

2.2 總撞擊效率

水滴撞擊到支板表面上的多少對支板表面的積冰強度和防冰能耗有重要影響?？傋矒粜蔈 ＝m定義為，支板表面上實際的水滴撞擊量與最大可能的水滴撞擊量之比，可表示為：

2.3 局部撞擊效率

支板表面各部分的水滴撞擊量并不一致，因此需要對各計算微元ds分別進行計算。局部撞擊效率β定義為，支板表面微元實際的水滴撞擊量與最大可能的水滴撞擊量之比，可表示為：

3 數(shù)值模型

3.1 計算模型

某型航空發(fā)動機防冰支板剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。前端有貫穿支板葉高，供熱氣流通的防冰腔，鰓區(qū)左右各開有一排氣膜縫。氣膜縫寬度為W，與x軸夾角為α，前緣駐點到氣膜縫中心位置x方向距離為X，前緣駐點到最遠迎風(fēng)位置x方向距離為L。防冰支板為直葉片，徑向參數(shù)變化較小可簡化為二維結(jié)構(gòu)計算。為準(zhǔn)確模擬水滴運動軌跡，采用較密的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對流動變化劇烈的支板壁面網(wǎng)格加密(圖3)。根據(jù)網(wǎng)格無關(guān)性計算結(jié)果，網(wǎng)格數(shù)選擇為335 600。

3.2 控制方程

空氣中液態(tài)水含量較少，其體積分?jǐn)?shù)遠小于空氣的體積分?jǐn)?shù)，因此可采用歐拉-拉格朗日方法計算?？諝庾鳛檫B續(xù)相在歐拉框架下求解N-S方程，水滴作為離散相在拉格朗日框架下求解水滴軌跡方程。假定水滴在碰撞前不破裂、不分解，物性參數(shù)不變。在空氣流場運動時，水滴軌跡可通過當(dāng)?shù)乜諝庾饔迷谒紊系母鞣N平衡作用力來計算獲得。懸浮在運動空氣中的水滴，其重力、表觀質(zhì)量力等與粘性阻力相比可忽略，其體積對空氣流場的影響也可忽略。水滴運動方程可表示為：

式中：u為空氣速度，u ＝w為水滴速度，μ為空氣動力粘度，ρw為水滴密度，d ＝w為水滴直徑，Re為水滴相對于空氣運動的雷諾數(shù)，C ＝D為拽力系數(shù)。

3.3 邊界條件

計算域入口給定速度進口邊界，氣膜縫入口均給定質(zhì)量進口邊界，計算域出口給定壓力出口邊界。來流速度53 m/s，來流溫度268.15 K。計算域上下邊界定義為對稱邊界。支板壁面和氣膜縫壁面定義為無滑移絕熱固壁，水滴軌跡計算時定義為es?cape邊界條件。水滴平均有效直徑為20 μm，隨空氣流動，速度與氣流相同，碰到支板表面終止軌跡計算。

空氣流場為定常、不可壓縮、粘性流動。采用RNG k-ε湍流模型，分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器。使用非耦合計算法計算水滴軌跡，忽略水滴對空氣流場的影響。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 氣膜縫出流位置對水滴撞擊特性的影響

防冰支板表面水滴可撞擊范圍為駐點和支板最大厚度之間的表面區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)設(shè)置氣膜縫出流對水滴撞擊特性的影響進行研究。圖4給出了氣膜縫寬0.5 mm、出流角度80°、出流流量1.33%(與進口流量之比)時，防冰支板不同氣膜縫出流位置的水滴局部撞擊效率沿支板駐點開始的表面弧長（SL）的分布?？梢姡寒?dāng)氣膜縫出流位置X/L≤0.52時，氣膜縫出流不僅降低了下游的水滴局部撞擊效率，而且還會使上游的水滴局部撞擊效率變低；X/L≥0.64時，氣膜縫出流對水滴局部撞擊效率的影響較小，其水滴局部撞擊效率分布曲線幾乎與沒有氣膜縫出流的水滴局部撞擊效率分布曲線重合。氣膜縫出流能降低下游的水滴局部撞擊效率，主要是因為氣膜縫出流改變了支板表面原來的空氣流場(圖5)，使主流道氣流偏離支板，帶動主流道空氣中的水滴偏轉(zhuǎn)。水滴質(zhì)量遠大于空氣質(zhì)量，慣性較大，不能完全繞過出流空氣，所以氣膜縫出流下游支板表面仍有水滴撞擊。

圖6給出防冰支板表面水滴總撞擊效率和表面水滴撞擊極限隨氣膜縫出流位置的變化。從圖6 (a)可看出，在前緣區(qū)的氣膜縫出流可大幅降低支板表面水滴的總撞擊效率，且隨著氣膜縫出流位置的前移支板表面水滴的總撞擊效率逐漸減?。划?dāng)氣膜縫出流位置靠近水滴撞擊理論極限(X/L≥0.70)，水滴的總撞擊效率幾乎不再變化。這是由于支板表面的水滴局部撞擊效率從駐點到水滴撞擊極限逐漸降低，在前緣開氣膜縫，出流位置是水滴撞擊密集區(qū)，影響的水滴數(shù)目更多，且出流影響的下游范圍更大，涉及到的水滴數(shù)目就更多。從氣膜覆蓋效果看(圖7)，氣膜縫出流位置靠前，在水滴撞擊密集區(qū)形成的高溫氣膜覆蓋范圍更廣。從圖6(b)可看出，不同氣膜縫出流位置的水滴撞擊極限相差不大，可認為氣膜縫出流位置對結(jié)冰區(qū)域和防冰范圍影響較小。

4.2 氣膜縫出流角度對水滴撞擊特性的影響

為避免主流道異物隨氣流進入氣膜縫，氣膜縫出流角度通常向后，即出流角度一般不超過90°。圖8給出了氣膜縫出流位置X/L=0.45、氣膜縫寬度0.5 mm、出流流量1.33%時不同出流角度下防冰支板表面水滴撞擊特性的計算結(jié)果。可看出：支板水滴總撞擊效率在出流角度小于55°時隨出流角度的增加變化較小，在出流角度大于55°時隨出流角度的增加逐漸減小。即氣膜縫出流角度大于55°可減小支板表面的水滴總撞擊效率，且出流角度越大水滴總撞擊效率減小越明顯。水滴撞擊極限隨著氣膜縫出流角度的增加振蕩下降，但下降幅度較小。水滴局部撞擊效率隨著氣膜縫出流角度的增加而減小，但減小幅度較小。

從圖9中氣膜縫出口附近的速度矢量圖可以看出，氣膜縫出流在主流作用下流動方向向后傾斜，出流角度越大出流后傾趨勢越弱，氣膜附壁性越差，對主流道的影響越大。從圖10中溫度場云圖可以看出，氣膜縫出流在壁面形成一層熱氣膜，并影響壁面垂直高度上的溫度分布；隨著與主流的摻混，熱氣膜作用效果隨流動距離的增大而減弱。出流角度越大，與主流摻混速度越快，熱氣膜覆蓋距離越短。這表明增大氣膜縫出流角度會降低氣膜覆蓋效果。

4.3 氣膜縫寬度對水滴撞擊特性的影響

圖11給出了防冰支板氣膜縫出流位置X/L= 0.45、出流角度45°、出流流量1.33%時，不同氣膜縫寬度的水滴撞擊特性計算結(jié)果?？煽闯?，氣膜縫寬度對防冰支板水滴總撞擊效率和局部撞擊效率的影響較小，不同氣膜縫寬度下總撞擊效率和局部撞擊效率幾乎一樣；隨著氣膜縫寬度的增加，防冰支板水滴撞擊極限略有增加，但增幅較小。從氣膜縫出口附近的速度矢量圖(圖12)可看出，氣膜縫寬度增加，出口速度降低，對主流道的影響減小，出流緊貼支板壁面，與主流摻混速度減弱，氣膜覆蓋效果更好(圖13)。

4.4 氣膜縫流量對水滴撞擊特性的影響

圖14給出了防冰支板氣膜縫出流位置X/L= 0.45、氣膜縫寬度0.5 mm、出流角度50°時，不同氣膜縫出流流量的水滴撞擊特性計算結(jié)果。可看出：隨著氣膜縫出流流量的增加，防冰支板水滴撞擊極限和總撞擊效率逐漸減?。凰尉植孔矒粜试跉饽たp后逐漸降低，在氣膜縫前不變。從圖15、圖16中不同氣膜縫流量的速度矢量圖和溫度場云圖可看出，防冰支板氣膜縫出流流量增加，出口速度增大，對主流道的影響增大，但影響壁面垂直高度的范圍不到1 mm；熱氣流的動能增大，附壁性更好，形成的氣膜厚度增加，覆蓋的距離更遠。

5 結(jié)論

(1)氣膜縫出流在氣膜縫出口下游形成保護膜，阻止主流冷空氣與防冰支板表面直接接觸并改變附近的空氣流場，不僅降低了氣膜縫出口下游的水滴局部撞擊效率，而且還會使上游的水滴局部撞擊效率變低，從而降低了水滴總撞擊效率。

(2)防冰支板氣膜縫位置對水滴撞擊極限影響較小，氣膜縫出流位置前移可降低支板表面水滴的總撞擊效率，并且越靠近前緣降幅越大。

(3)氣膜縫出流角度對水滴撞擊極限和水滴局部撞擊效率影響較小。當(dāng)氣膜縫出流角度小于55°時，水滴總撞擊效率幾乎不變；氣膜縫出流角度大于55°時，隨著出流角度的增大水滴總撞擊效率逐漸減小，但氣膜覆蓋效果會逐漸變差。

(4)氣膜縫寬度對水滴總撞擊效率、撞擊極限和局部撞擊效率影響都較小，但氣膜縫寬度越大氣膜覆蓋效果越好。

(5)隨著氣膜縫出流流量的增加，支板表面水滴的總撞擊效率和撞擊極限逐漸減?。凰尉植孔矒粜试跉饽たp后逐漸降低，在氣膜縫前不變，且隨著氣膜縫出流流量的增加，形成的熱氣膜厚度增加，覆蓋的距離更遠。

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Effect of film gap outflow on water drop lets im pingem ent characteristics of the an ti-icing vane

LIU Hua，YANG Jun
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

In order to study the effect of film gap outflow on water droplet impingement characteristics of the anti-icing vane,the water droplet impingement characteristics of different position,outlet angle,width and flow rate of film gap were calculated by discrete phase model of Fluent software.Calculation results in?dicate that the water droplet impingement limit decreases as the flow rate increases;the local impact effi?ciency of water droplets is affected by position,and decreases with the increasing of outlet angle and flow rate;the total impact efficiency of the water droplets decreases with forward movement of the position,the increasing of outlet angle and flow rate;the film coverage efficiency would be better with the decreasing of outlet angle,the increasing of width and flow rate.

aero-engine；anti-icing system；anti-icing vane；droplet impingement characteristics；film gap outflow

V231.3

：A

：1672-2620(2017)02-0051-07

2016-09-12；

：2017-02-17

劉 華(1986-)，女，江西上高人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機熱分析研究和防冰系統(tǒng)設(shè)計。