翼型表面粗糙度对结冰冰型的影响研究

王强 董军
沈阳,110034

文章摘要:本文采用数值模拟方法对NACA0012翼型前缘结冰进行模拟，在同一大气环境中，对不同表面粗糙度情况下的翼型进行结冰模拟计算，并将计算所得的各条件下的冰型进行对比分析，从而研究机翼表面粗糙度对结冰的影响。
文章主题:机翼结冰 表面粗糙度 NACA0012翼型

文章内容：第25卷第4期2007年12月气动研究与实验&;1.25..4.,2007翼型表面粗糙度对结冰冰型的影响研究王强董军(沈阳110034)摘要:本文采用数值模拟方法对0012翼型前缘结冰进行模拟,在同一大气环境中,对不同表面粗糙度情况下的翼型进行结冰模拟计算,并将计算所得的各条件下的冰型进行对比分析,从而研究机翼表面粗糙度对结冰的影响.关键词:机翼结冰表面粗糙度0012翼型引言飞机在云,湿雪,冻雨,雾以及气温在零度以下的高湿度空气中飞行时,就容易发生结冰现象,使其在主翼,平尾,发动机进气道,座舱玻璃,空速管等突出部件的表面上结冰.这些部件结冰后,不仅增加了飞行重量,同时也改变了飞机的气动外形.从而使阻力增加,操纵性,稳定性恶化,对飞行安全构成严重威胁.因飞机结冰而导致机毁人亡的事故屡见不鲜.因此,早在上个世纪20年代,人们就开始对飞机结冰予以关注.经过几十年的研究.人们发现了影响飞机结冰量的大小,结冰的范围以及结冰冰型的形状主要取决于以下四个方面的因素:1)飞行气象条件,如大气温度,液态水滴含量,水滴直径和云层范围(直接影响结冰时间)等气象参数;2)飞机的外形形状,特别是机翼,尾翼前缘的几何形状;3)飞机的飞行状态,如飞行速度,飞行高度,飞行姿态(主要是飞行迎角)等;4)飞机表面粗糙度:1.研究方法飞机表面的粗糙程度直接影响了飞机表面附近的流场,从而也影响了流场中过冷水滴撞击在飞机表面上的可能性.同时飞机表面粗糙度对飞机表面的热传导也有一定影响.本文为了研究飞机表面粗糙度对结冰冰型的影响,采用方法对0012翼型前缘结冰进行模拟.在对结冰进行数值模拟时,本文假设结冰过程为一个定常过程,其计算过程分为三步:1)求解计算区域内的—方程和湍流方程,计算出012翼型周围的绕流流场,翼型表面的热通量和剪切应力;2)在第一步所得到的绕流流场结果基础上,求解水滴轨迹方程以确定极限水滴轨迹和收集系数;第4期翼型表面粗糙度对结冰冰型的影响研究133)在上两步计算结果基础上,根据冰增长模型确定结冰冰型形状.按照以上计算步骤,通过在计算过程中设定不同粗糙度值,求解出0012翼型在相同大气环境,不同粗糙度的情况下的结冰冰型,对比所得结果,从而分析粗糙度对结冰冰型的影响.2物理模型及控制方程2.1—方程在直角坐标系中,无量纲化的—方程的微分形式可以写成:+.:..(1)=引+(+).(+):各物理量的含义【1】.2.2湍流模型及方程本文计算使用的是—湍流模型,表面粗糙度为等效沙粒粗糙度—模型为一方程模型,其方程为:=(2)其中,通过求解以下方程获得:等等+毒¨)+等卜-其中,为空间点到壁面的距离.本文计算需要考虑表面粗糙度的影响,当引入等效沙粒粗糙度后,通过下式进行修正…(是空间点到壁面的最小距离):.=+0.03;2.3水滴轨迹方程用的方法进行翼型结冰时值模拟时,必须对每个水滴进行跟踪,以确定水滴是否与翼型发生碰撞.在计算水滴轨迹时作如下假设】引:(1)引人与水滴体积相当的当量球概念,其直径为;(2)水滴的密度在整个过程中保持不变;(3)水滴的初速度与自由流的速度相当,水滴体积很小,以至于它们的绕流不会影响流场性质.+.):01鲁:)+(?一)专季+∞4翼型表面粗糙度对结冰冰型的影响研究.第4期数,表示水滴惯性参数,和分别表示空气密度和水滴密度,表示弗劳德数.2.4结冰模型在进行结冰的数值模拟时,需要建立适当的结冰模型来模拟结冰的增长.根据气象条件的不同,结冰主要可以分为两大类:霜冰和光冰.霜冰是空气中的水滴完全在与物体的碰撞点处直接凝结而成,其结冰模型较为简单,只考虑质量守恒就可以了;光冰则是过冷水滴部分在碰撞点凝结,剩余部分流向后方,除了考虑质量守恒外,还需要考虑热传导,即需要添加热力学模型.本文使用的是光冰模型.3计算网格本文计算模型为二维0012翼型,弦长为0.5334,计算网格采用的是型结构网格(如图1),在物面附近对网格进行了加密.图1模型的网格示意图4计算状态为了增加计算结果的可对比性,本文模拟了0012翼型在同一大气环境中,不同攻角情况下的结冰过程,同时在每个攻角的情况中,又分别计算了三种不同表面粗糙度情况下的结冰冰型.具体计算状态如下:1)大气温度():265.042)大气压强():1003)来流速度():102.8/4)液态水含量():0.001/'5)水滴直径():20.6)结冰时间():1207)攻角():03.5.8)表面粗糙度():攻角为0.时,粗糙度分别为0.0001,0.0005,0.004;攻角为3.5.时,粗糙度分别为0.0,0.00056,0.003.第4期翼型表面粗糙度对结冰冰型的影响研究5计算结果及分析计算结果(如图2和图3所示)0040032001.肿-0.1.0.2-0.03-0040432.02.03-00400400320010.0'.02.03-0400002004006()0.00200406()000.020.04006()00403210.01.02.003-0040040320'.0-01.02-003-004403201一.1.002.03-0,04000020040∞()000200406()0.00200406()图2,不同粗糙度情况下机翼前缘冰型(:0)图3,不同粗糙度情况下机翼前缘冰型(:3<>5.)们∞们言一16翼型表面粗糙度对结冰冰型的影响研究第4期图4,结冰翼型网格示意图图2和图3显示了0012翼型在同一大气环境中,不同攻角,不同粗糙度情况下,经过2分钟的结冰时问所结冰型的情况.从图2<>中,我们可以看出,当攻角为0.时,由于翼型上下表面对称,所以在翼型上下表面发生结冰现象的范围相同,所结冰型也是对称的.当粗糙度较小时,翼型前缘结冰量较小,冰型表面也比较光滑;当粗糙度提高时,翼型前缘的结冰量也逐渐增多,冰型也逐渐出现棱角.根据图3所显示的情况,当飞行攻角为3.5.时,翼型上表面结冰范围减小,下表面结冰范围增加,结冰冰型也不再对称.当翼型表面光滑,即表面粗糙度为