二维翼型积冰生长过程的数值模拟计算

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随着我国科学技术与国民经济的高速发展,飞机作为必要的交通工具进入了人们的生活,已经成为人们生活的一部分。飞机给人们带来方便、快捷和舒适的生活,也带来了一定的风险,飞行安全时刻敲醒警钟。其中,飞机结冰造成的飞行风险占据显著地位,已经成为危害飞行安全的头号因素。飞机在穿过云层飞行的过程中,当遇到结冰气象条件时,会在机体表面就会形成积冰。这些结冰云层里面存在着未冻结的液态小水滴,他们分布在云层里面,当飞机高速穿过结冰云层时,这些小水滴与飞机发生碰撞,打破了他们原来保持的稳定,部分液态小水滴就会瞬间变成细小的冰颗粒,附着在翼型表面上,使得飞机出现结冰现象。飞机结冰是伴随着蒸发、对流、摩擦、热传导、气动加热等一系列的质量和能量变化的复杂过程。本文介绍了与飞机结冰相关的一些基本概念,简要概括了结冰对飞机飞行性能和操纵性能等方面的影响。概括了飞机结冰现象的一些研究方法。应用Fluent软件求解二元翼型周围的绕流情况,应用求解偏微分方程的方法对二维翼型进行网格划分,利用翼型算例对流场的算法进行了验证。研究了水滴在流场中的运动情况,阐述了水滴冲击翼型的相关概念,特别分析了水滴撞击特性的影响因素,应用Lagrange法建立了水滴的运动方程,根据数值求解的方法(Runge-Kutta),得到了翼型上下表面水滴的撞击极限,进而得到水滴的运动轨迹。建立了二维翼型的Messinger结冰数学模型,根据假设建立并求解了翼型表面的质量平衡方程和能量守恒方程,考虑了结冰表面粗糙度对翼型结冰的影响,给出了翼型表面积冰形状的确定方法。最后对NACA0012翼型的三个结冰算例进行了数值模拟计算,将模拟的结果与实验给出的结果展开比较分析,结果基本符合实验结果中积冰生长趋势,证明了本文算法是有效的和可行的,同时,从对升力与阻力方面的影响出发,简要说明了翼型表面结冰后气动特性的改变。
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