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翼型结冰过程的数值模拟

作　者: 朱东宇
导　师: 王江峰
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 流体力学
关键词: 飞机结冰数值模拟过冷水滴防/除冰气动特性
分类号: V211.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 193次
引　用: 2次
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内容摘要

飞机结冰是飞行安全中的重要问题,对飞行安全造成很大的危害,因此飞机结冰的研究历来受到世界各国的重视。当飞机穿越云层飞行时,存在于云层中的过冷水滴会撞击到飞机表面,发生结冰现象。飞机结冰是一个复杂的传热传质过程,涉及到流体力学、传热学、气象学等多个领域。由于国内实验条件的欠缺,飞机防除冰系统的设计往往依赖于工程估算。本文采用数值模拟的方法对翼型结冰过程进行了研究,得到了翼型表面水滴撞击特性,预测了翼型结冰外形,并分析了结冰对翼型气动特性的影响。本文的研究工作主要有以下几个方面:(1)简述了飞机结冰现象及其研究方法,着重介绍了飞机结冰数值模拟研究的发展过程;(2)发展了适合于飞机结冰等边界小变形的动弹网格方法;(3)采用Jameson中心格式求解二维可压缩N-S方程,时间推进为显式的五步Runge-Kutta格式,湍流模型为S-A一方程模型,并采用了当地时间步长、隐式残值光顺等加速收敛措施;(4)采用基于Lagrange法建立的水滴运动轨迹方程,给出了数值求解方法,并分析了翼型表面水滴撞击特性;(5)采用基于Messinger思想建立的结冰数学模型,采用边界层积分的方法计算对流换热系数;(6)数值模拟了NACA0012翼型典型飞行条件和气象条件下的结冰情况,并分析了结冰对翼型气动特性的影响;(7)对本文的工作进行了总结,并提出了进一步研究的展望。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-22
  1.1 研究背景  12-15
    1.1.1 飞机结冰现象综述  12-13
    1.1.2 结冰对飞机性能和飞行安全的影响  13-14
    1.1.3 飞机结冰的研究方法和内容  14-15
  1.2 飞机结冰问题国内外研究现状  15-19
    1.2.1 实验研究现状  15-17
    1.2.2 数值模拟研究现状  17-19
  1.3 飞机结冰现象的数值模拟研究方法  19-20
  1.4 本文选题的意义和主要工作  20-22
第二章动弹网格方法  22-26
  2.1 前言  22
  2.2 弹簧近似方法  22-23
  2.3 弹簧倔强系数的确定  23-24
    2.3.1 标准方法  23
    2.3.2 方法改进  23-24
  2.4 算例分析  24-25
    2.4.1 NACA0012 翼型绕1/4 弦长点偏转  24-25
    2.4.2 结冰后翼型网格  25
  2.5 本章小结  25-26
第三章翼型绕流流场的数值模拟  26-38
  3.1 前言  26
  3.2 控制方程  26-28
    3.2.1 守恒形式的Navier-Stokes 方程  26-27
    3.2.2 积分形式的N-S 方程  27-28
  3.3 有限体积法空间离散  28-30
    3.3.1 对流通量项的计算  28-29
    3.3.2 粘性通量项的计算  29-30
  3.4 时间离散  30
  3.5 边界条件  30-33
    3.5.1 物面边界条件  30-31
    3.5.2 远场边界条件  31-32
    3.5.3 对称边界条件  32-33
  3.6 加速收敛措施  33-34
    3.6.1 当地时间步长  33
    3.6.2 隐式残值光顺  33-34
  3.7 SPALART-ALLMARAS (S-A) 一方程湍流模型  34-35
  3.8 N-S 方程算例  35-37
    3.8.1 NACA0012 翼型跨音速粘性流动  35-36
    3.8.2 RAE2822 翼型绕流  36-37
  3.9 本章小结  37-38
第四章过冷水滴运动轨迹和撞击特性研究  38-52
  4.1 前言  38-39
  4.2 水滴运动轨迹求解  39-45
    4.2.1 基本假设  39
    4.2.2 水滴轨迹运动方程  39-41
    4.2.3 水滴轨迹运动方程的求解  41
    4.2.4 水滴运动方程的初始化  41-42
    4.2.5 水滴所处单元的判断  42-43
    4.2.6 水滴所处位置的流场参数插值  43
    4.2.7 当地时间步长  43-44
    4.2.8 水滴与翼型物面碰撞的判断  44-45
  4.3 水滴撞击特性的确定  45-47
    4.3.1 术语定义  45
    4.3.2 水滴撞击极限的确定  45-46
    4.3.3 局部水收集系数的确定  46-47
  4.4 飞行和气象条件对水滴撞击特性的影响  47-50
    4.4.1 飞行速度的影响  47-48
    4.4.2 翼型弦长的影响  48-49
    4.4.3 水滴平均直径（MVD）的影响  49-50
  4.5 本章小结  50-52
第五章二维结冰数学模型  52-67
  5.1 前言  52
  5.2 基于MESSINGER 思想的结冰模型  52-59
    5.2.1 质量守恒  53
    5.2.2 能量守恒  53-56
    5.2.3 对流换热系数的计算  56-57
    5.2.4 结冰表面粗糙度的衡量  57-58
    5.2.5 结冰模型的数值求解  58-59
    5.2.6 结冰外形的确定  59
  5.3 算例分析  59-66
    5.3.1 计算条件  59
    5.3.2 计算结果  59-64
    5.3.3 计算结果与实验数据的对比  64-65
    5.3.4 结冰对翼型气动特性的影响  65-66
  5.4 本章小结  66-67
第六章总结与展望  67-68
  6.1 总结  67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-73
致谢  73-74
在学期间的研究成果及发表的学术论文  74

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