飛機結冰數(shù)值計算與冰風洞部件設計研究.pdf

1、飛機在含有過冷水滴的云層中飛行時將會發(fā)生結冰現(xiàn)象，飛機結冰對其安全飛行帶來嚴重威脅，近年來因為飛機結冰引發(fā)的航空事故并不少見。目前，國內由于缺乏支撐試驗的大型結冰風洞(正在建設中)，因此本文研究重點研究了結冰數(shù)值模擬計算方法，兼有結冰風洞部件的設計方法。論文在參考和學習大量國內外結冰文獻的基礎上，基于VC/FORTRAN混合編程方法和動態(tài)鏈接庫DLL技術，將飛機結冰數(shù)值計算模塊化編程并集成于MFC軟件計算平臺中，開發(fā)了面向用戶的飛機結冰

2、計算軟件NUAA-ICE3D，在開發(fā)軟件的環(huán)節(jié)中提出了一系列新的研究思路和方法。本文具體的研究工作和取得有價值的成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　 首先研究了二維圓柱、單段翼型、多段翼等模型的網格生成和重構方法，發(fā)現(xiàn)采用基于求解橢圓型偏微分方程方法生成的結構化網格最為高效可行。通過對橢圓型微分方程的離散推導，分析了模型表面附近網格質量的控制方式和控制效果。在生成等截面機翼、變截面機翼、翼身組合體的結構化網格時，引入兩種適用于結冰

3、計算的網格重構方法，即端面表面O網格法和整體H型網格法；考慮到結冰總是發(fā)生在部件迎風部位，為了提高網格重構的效率和穩(wěn)定性，引入兩種輔助性的網格分區(qū)方法：橢圓形分區(qū)和扇形分區(qū)。
　　 開發(fā)了基于密度求解方式的Euler/Navier-Stokes流場求解代碼。在離散求解控制方程時，時間上采用了顯式四步/五步龍哥庫塔、空間上采用了中心差分格式離散了控制方程。為了抑制奇偶失聯(lián)造成的高頻振蕩和激波前后的數(shù)值波動，引入了人工耗散項，編程中

4、還采用了當?shù)貢r間步長和隱式殘值光順技術。在計算湍流粘性系數(shù)時，采用了三種湍流模型：零方程B-L模型、一方程S-A模型及兩方程k-ε模型。隨后，對所編的流場求解器進行了驗證和分析。
　　 在過冷水滴撞擊特性計算中，分別研究了拉格朗日法和歐拉法兩種算法。在拉格朗日法中，將網格拓撲結構應用到了尋找水滴空間位置過程中，同時引入了根據網格分區(qū)設置時間步長的方法，解決了拉格朗日法計算水滴軌跡耗時長的問題。在水滴運動方程的時間項離散中，分別采

5、用了歐拉法、預估-校正法、四步龍哥庫塔法。在歐拉法計算中，基于FLUENT軟件的用戶自定義標量功能，編寫了用于計算任意幾何體表面水滴撞擊特性的UDF代碼。通過對二維翼型、三維球體、DLR-F6翼身組合體、DLR-F6翼身架艙組合體的水滴撞擊計算，驗證了所開發(fā)代碼的正確性。最后，采用FLUENT特有的日志運行功能，基于MFC界面對動態(tài)加載UDF、設置來流計算條件、監(jiān)視收集系數(shù)收斂等一系列操作進行了封裝。
　　 研究了冰層增長中的復

6、雜傳熱傳質過程，將網格單元作為控制體，使得冰層增長計算與其它模塊共用同一套網格。從熱邊界層和動量邊界層理論出發(fā)，推導和討論了空氣、水膜、冰層三者之間的換熱機理，完成了水滴發(fā)生凍結并轉化冰層的模擬，將所開發(fā)的代碼模塊命名為ICEC。通過對對流換熱系數(shù)曲線和結冰冰形的計算，驗證了代碼的可靠性。以圓柱結冰為研究對象，分析了冰層表面粗糙度對空氣、水膜、冰三相間傳熱傳質及結冰冰形的影響，提出了一種全新的幾何粗糙度修正模型，它是通過冰形邊界的曲折程

7、度來衡量表面粗糙程度的。以集成的結冰軟件為計算平臺，模擬并研究了結冰參數(shù)對對流換熱系數(shù)和冰形的影響。最后在三維結冰數(shù)值計算方面，將二維中的計算方法進行了三維空間的拓展。
　　 在計算代碼的高度集成性和面向用戶性方面作了深入的研究工作。首先將結冰計算分為網格生成與重構模塊GRID、空氣流場計算FLOW、水滴撞擊計算模塊DROP、結冰冰形計算ICEC，將結冰邊界修復并入GRID程序模塊中，然后基于動態(tài)鏈接庫技術把每個模塊代碼轉為化編

8、譯的DLL文件。從軟件開發(fā)的角度出發(fā)，還研究了各個模塊數(shù)據存儲、數(shù)據通信、用戶界面、結果顯示、文件管理及軟件模塊更新等方面的內容?；贛FC框架編寫了控制模塊計算和反復內部調用模塊的多線程仿真平臺，同時軟件中引入了兩種執(zhí)行方式以適應多步長冰層增長的模擬。最后，書寫了軟件用戶手冊，將所開發(fā)的結冰軟件打包為setup.exe，即可交付用戶使用。在結冰數(shù)值軟件NUAA-ICE3D中，除了集成了自編的各個模塊程序及其計算功能外，還內嵌了通過MF

9、C界面啟動的FLUENT流場計算和UDF水滴撞擊計算功能，所有初始計算工況均由用戶界面輸入，然后軟件自動查找并替換FLUENT日志文件和UDF程序中的參數(shù)，以實現(xiàn)模塊程序的無縫封裝和數(shù)值計算的自動化。
　　 對冰風洞的關鍵部件進行了闡述，然后重點展開了兩個方面的研究工作，即冰風洞洞體和四大拐角導流葉片的設計。根據風洞設計理論，設計了某型回流結冰風洞，計算了風洞各段截面上的總壓、靜壓、速度等參數(shù)的分布。在確定風洞各段尺寸之后建立了