發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，包括步驟：A、建立發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的幾何模型并進行網(wǎng)格劃分，給定水滴初始位置；B、根據(jù)步驟A進行發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片上水滴路徑的跟蹤計算，包括建立水滴在進入發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道后與空氣流場的動力學模型和能量交換模型，得到水滴與發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片發(fā)生撞擊的位置、水滴從發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片離開的位置及水滴特性；C、進行水滴收集效率的計算；D、結(jié)合步驟A、B、C進行結(jié)冰形狀描述。本發(fā)明提供的分析方法充分考慮了發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)特性，使分析結(jié)果更符合發(fā)動機工作實際情況，更能反應(yīng)旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程的真實值，能為后續(xù)的發(fā)動機脫冰研究提供正確的理論支撐。
【專利說明】發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 當飛機進入含有水滴、冰晶及雪花的大氣層時，飛機的機翼、發(fā)動機的零部件、雷 達、擋風玻璃等部件會產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，使機翼的升力下降，飛行員視線的清晰度降低，發(fā)動 機工作不穩(wěn)定等，直接影響了飛機的飛行性能，而由此帶來的飛行事故屢有發(fā)生，造成了巨 大的經(jīng)濟損失。尤其對于發(fā)動機，當水滴被吸入發(fā)動機，將致使發(fā)動機結(jié)冰，輕者造成發(fā)動 機輸出功率降低，重者表面積冰脫落時會損傷發(fā)動機，造成機毀人亡。
[0003] 根據(jù)我國適航條款，在中國民用航空規(guī)章第25部附件C規(guī)定的連續(xù)最大或間斷最 大結(jié)冰狀態(tài)下，發(fā)動機在其整個飛行功率范圍（包括慢車）內(nèi)的工作中，發(fā)動機部件上不應(yīng) 出現(xiàn)影響發(fā)動機工作或引起功率或推力嚴重損失的結(jié)冰情況。
[0004] 國內(nèi)外都在開展對發(fā)動機冰生長現(xiàn)象的研究，但國內(nèi)的研究仍停留在對發(fā)動機進 口部分結(jié)冰現(xiàn)象的靜態(tài)研究階段，對旋轉(zhuǎn)部件結(jié)冰的研究缺乏理論和實踐上的支撐。由于 發(fā)動機部件的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)部件的流場自身帶有顯著的徑向變化，這是其固有的三維特 性，也使其流場動力學方程不同于靜止部件的動力學方程。例如，發(fā)動機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)葉片是 發(fā)動機的重要旋轉(zhuǎn)部件，旋轉(zhuǎn)葉片通道內(nèi)流場的特性，如通道渦流、端壁邊界層渦流、十字 槽流和機翼后緣航跡等特性參量，決定了水滴的運動路徑。水滴的路徑影響到結(jié)冰位置、結(jié) 冰形狀進而會影響到對冰脫落的分析結(jié)果。而通過對冰脫落的分析才可以消除因發(fā)動機結(jié) 冰引起的發(fā)動機故障。
[0005] -般情況下，在計算靜止部件水滴路徑時，水滴在整個流場中的溫度保持恒定，可 以忽略連續(xù)相（氣體）和離散相（液體）之間的熱交換對流場的影響。但對于發(fā)動機葉片 這類旋轉(zhuǎn)部件，這種能量的交換很大程度上改變了水滴路徑和水滴溫度，故不能按照外表 面或靜止部件的方法來處理熱交換。當發(fā)動機處于工作狀態(tài)時，葉片轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動影響 到的不僅是流場和水滴運動路徑，還有對旋轉(zhuǎn)葉片表面水滴收集效率的影響，水滴收集效 率會影響到結(jié)冰的形狀。此時，如果根據(jù)傳統(tǒng)的靜止部件水滴收集效率的計算方法計算旋 轉(zhuǎn)部件的水滴收集效率，所得到的結(jié)果并不能有效地反映真實的動態(tài)值。顯然，發(fā)動機旋轉(zhuǎn) 葉片及冰生長過程都是動態(tài)的，傳統(tǒng)的靜態(tài)的分析方法已不能滿足實際需求，無法為冰形 描述和發(fā)動機的脫冰研究提供有力的理論支撐以消除因結(jié)冰現(xiàn)象而引起的發(fā)動機故障。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種根據(jù)發(fā)動 機旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)特性，使分析結(jié)果更符合發(fā)動機工作實際情況，能為后續(xù)的發(fā)動機脫冰 研究提供正確的理論支撐的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程的分析方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程的 分析方法，包括步驟:A、根據(jù)發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的幾何形狀建立發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的幾何模型， 對所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片進行網(wǎng)格劃分，給定水滴的初始位置；B、根據(jù)所述步驟A進行發(fā)動 機旋轉(zhuǎn)葉片上水滴路徑的跟蹤計算，包括建立水滴在進入發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道后與空氣流 場的動力學模型和能量交換模型，得到水滴與發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片發(fā)生撞擊的位置和水滴與發(fā) 動機旋轉(zhuǎn)葉片發(fā)生撞擊時的水滴特性、水滴從所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片離開的位置和水滴從所 述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片離開時的水滴特性；所述水滴特性包括水滴的溫度、速度、質(zhì)量、所受的 力、熱交換系數(shù)；C、進行發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片上水滴收集效率的計算；D、結(jié)合所述步驟A、B、C進 行結(jié)冰形狀描述。
[0008] 優(yōu)選地，所述步驟B中建立所述動力學模型的坐標系采用旋轉(zhuǎn)坐標系，其中X表示 徑向坐標，r表示軸向坐標，Θ表示方位角坐標，所述動力學模型為：

【權(quán)利要求】
1. 一種發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于，包括步驟： A、 根據(jù)發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的幾何形狀建立發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的幾何模型，對所述發(fā)動機旋 轉(zhuǎn)葉片進行網(wǎng)格劃分，給定水滴的初始位置； B、 根據(jù)所述步驟A進行發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片上水滴路徑的跟蹤計算，包括建立水滴在進入 發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道后與空氣流場的動力學模型和能量交換模型，得到水滴與發(fā)動機旋轉(zhuǎn) 葉片發(fā)生撞擊的位置和水滴與發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片發(fā)生撞擊時的水滴特性、水滴從所述發(fā)動機 旋轉(zhuǎn)葉片離開的位置和水滴從所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片離開時的水滴特性；所述水滴特性包括 水滴的溫度、速度、質(zhì)量、所受的力、熱交換系數(shù)； C、 進行發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片上水滴收集效率的計算； D、 結(jié)合所述步驟A、B、C進行結(jié)冰形狀描述。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于：所述步 驟B中建立所述動力學模型的坐標系采用旋轉(zhuǎn)坐標系，其中X表示徑向坐標，r表示軸向坐 標，Θ表示方位角坐標，所述動力學模型為：

其中xP，rp，91)表示在所述圓柱坐標系下水滴的坐標位置，F(xiàn)pF x，F(xiàn)0分別為水滴所受的 力在徑向、軸向、方位角坐標上的分量，ω表示發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)角速度，t表示時間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于：所述步 驟B中，水滴在進入發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道后與空氣流場的能量交換模型為
其中，mp是水滴（與水滴的關(guān)系）的質(zhì)量，Cp是水滴的比熱，Ap是水滴表面面積，T p(t) 是水滴的溫度，Tg(t)是氣相溫度，h(t)是水滴與空氣氣體之間的熱交換系數(shù)，所述Tp(t)、 Tg(t)、h(t)均為時間t的函數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于：利用蘭 茲-馬歇爾相關(guān)性推導關(guān)于h(t)的求解方程，將所述h(t)的求解方程與所述能量交換模 型聯(lián)立，得到水滴的溫度與時間的變化關(guān)系。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于：所述步 驟B還包括建立所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的通道內(nèi)流場的湍流流量連續(xù)時間隨機游走模型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于：所述發(fā) 動機旋轉(zhuǎn)葉片的水滴收集效率為發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片表面水滴的質(zhì)量與吸入發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片 通道內(nèi)的總的水滴質(zhì)量之比；設(shè)所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片上劃分的單個網(wǎng)格面積為δΑ」，所述 網(wǎng)格面積δΑ」上水滴總數(shù)目為％，每個水滴的質(zhì)量為M p，則每個所述網(wǎng)格面積δ Α」上的水 滴質(zhì)量AMj為
設(shè)AinlrtS發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道入口處的面積，吸入一個所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的水滴數(shù) 量是Np，所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片的數(shù)量為Nb且尺寸均勻，則所述發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道入口處 水滴總質(zhì)量ΛΜ inlet 為
所述水滴收集效率η為
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于：所述水 滴特性包括水滴的溫度、速度、質(zhì)量、所受的力、熱交換系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片冰生長過程分析方法，其特征在于：還包括 在所述步驟Α之前分析發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道內(nèi)的氣體阻力、氣體升力對水滴運動的作用； 分析發(fā)動機旋轉(zhuǎn)葉片通道內(nèi)的流場條件。
【文檔編號】G06F19/00GK104050364SQ201410258230
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】胡秀娟 申請人:上海古躍電子科技有限公司