发动机旋转整流帽罩的水滴撞击特性分析

关 键 词 ： 转 整 流 帽 罩 ； 冷 水滴 ； 冰 ； 击 效 率 ； 值 模 拟 旋 过 防 撞 数
中图分类号 ： ２ １ Ｖ ３． ３ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１７ — ６ ０ （０ １ ４ ０ ３ — ４ ６ ２ ２ ２ ２ １）０ — ０ ２ ０
Ｄｒ ｐｌ ｔ ｍ ｐ ｎｇ ｎｇ Ｃｈａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉ ｏ ｅ ｓＩ ｉ ｉ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ Ａｎａ ｙ ｉ ｆｔ ｔ ｔｎｇ Ｆａ ｒ ｎｇ ｌ ｓ ｓｏ ｈｅ Ｒｏ ａ ｉ ｉ ｉ
１ 引言 飞 机 及 发 动 机 的 防／ 冰 技 术 是 现代 飞机 研 制 除
中 的一 项 关 键 技 术 ２ 当 飞机 在 结 冰 气 象 条 件 下 ＿ ］ 。 以较 低速 度 飞 行 时 ， 空气 中的过 冷 水滴 容 易 在 飞机
体 对 迎 风 面上 易结 冰 部位 进 行 加热 ， 而 保证 表 面 从
（５ 、０ 、 ５ 、 ０） １ 。２ 。２ 。 ３ 。的局部水 收 集系 数进 行 比较 。
（） 来 流给 定速度 边 界条件 ； １ （） 出 口流 场给定 压力 出 口边界 条件 ； ２ ｆ） 定 义旋 转 轴 ， ３ 给定 区域 人 口处 水 滴 的流 动
方 向和 速度 ， 水滴 人 口速度 为 自由来 流速度 ； （） 壁 面的速 度边 界条 件给 定壁 面的旋 转角速 ４
及 发 动机 进 气 系统 的迎 风 面上 发 生冻 结 ， 而破 坏 从
飞机 及发 动 机 的气 动 性 能 ， 害 飞行 安全 。对 于航 危 空发 动机 而言 ， 风 面结 冰 除 了影 响 发动 机 进 气性 迎 能外 ， 结 冰 发生 脱 落还 会 被 吸入 发 动机 内部并 与 若
度。
由 于 对 部 件 的三 维 流场 进 行 精 确 模 拟 十分 耗 时 ， 虑 到 模 型 的轴 对 称特 性 ， 考 在轴 向来 流条 件 下 ，
可 采用 轴对 称 的方 法求 解旋 转 帽罩周 围的流 场 。
２１ 空气控 制 方程 ．
２４ 局 部水 收集 系数 的求解 ．
变 。考 察 锥 体 的上 表 面 ， 别 对 如 下两 种 工 况进 行 分
研究 。
律 可得 出水 滴运 动 轨 迹 。不 考 虑重 力影 响 时 ， 方 其
程可 表示 为 ：
Ｆｏ
～
。
）
（） ３
（ ４ ） ，
Ｃｏ Ｒｅ
，
Ｆ。 ： 一 。一Ｐ 。 ２ ｄ ４
＼ ＼
Ｌ
式 中 ：。 空气 速 度 ； 为 水 滴 颗粒 速 度 ； ｗ ｕ为 Ｐ 为水 滴 密 度 ； ｄ 为水 滴直 径 ； ｅ Ｒ 为相对 雷诺 数 ， 由下式 确定
Ｒ 三 ！ 二
。
ｆ１ ５
图 １旋 转 帽罩 外 形 图
Ｆｉ １ ｇ． Ｐｒ ｆｌ ａ ｎ ｆｔ ｅ ｒ ｔｔｎｇｆｉｉ ｏ ｉｅｄｒ ｗｉ ｇｏ ｈ ｏａ ｉ ａ ｒｎｇ
鲁ｖ ＝ ＋． ０
ａ
ｍ
＿
（ １ ）
（） ２
假设 帽罩 锥 体微 元表 面 上 水滴 的分 布 密度为 Ｐ ， 流处 水 滴 的分 布 密度 为 ｐ ， 来 。则 、
为：
。
ｐ ＋ （Ｖ ） Ｊ面× ＝ Ｖ ＋Ｖ Ｆ ｇ Ｖ・ ｒ ＋Ｄ ） 一 ｐ ＋ Ｐ￣ （
可 表示
则局 部水 收集 系数 可表 示为 ：
卢＝Ｄ／。 Ｊ ｐ （） ９
采用 用 户 自定 义 函数 （ Ｄ ） Ｕ Ｆ求取 局 部 水 收集 系
数 的算 法 如下 ： 气 流 中含有 均匀 分 布 的水 滴颗 粒 ， 给定 含有 水 滴 的进 口面积 为Ａ， 总颗粒 数为ｎ 则 分布密 度为 ： ，
高 速旋 转 中 的 叶 片发 生 碰 撞 ， 发 动 机 造 成 损 伤 。 对
为此 ， 须 在 发动 机 设计 时对 其 几何 外形 下 的水滴 必 撞 击 特 性 进 行 充 分 研 究 ， 采 取 相 应 的 防／ 冰措 并 除
施。
目前 ， 世界 上 主 流 的发 动 机 防冰 系 统 主要 有 加
ｏ ｅ ｏ－ ｆＡ ｒ －Ｅｎｇ ｎｅ ｉ
ｚ ０ Ｑ ｕ ｙ ｅ Ｄ ＮＧＷｅ， ＨＵ Ｊ ｎｉｎ ＨＡ ｉ—ｕ ， Ｏ ｉ Ｚ ｉ — ａ ｎ
（ｃ ｏｌ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｓ ａ ｇ ａ Ｊ ｏｏ ｇ ｎｖｒｉ ， ｈｎ ｈ ｉ ０ ２ ０ Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｈ ｎｃ ｇｎ ｅｉ ， ｈｎ ｈ ｉ ｉ ｔｎ ｉｅｓ ｙ Ｓ ａ ｇａ ２ ０ ４ ， ｈｎ ） Ｍｅ ａＥ ｎ ａ Ｕ ｔ
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ：Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ Ｃｏ ｕ ａ ｉ ｎ ｌＦｌ ｉ ｎ ｍｉ ｓｓ ｆｗａ ｅＦＬＵＥＮＴ，ａＬａ ｒ ｎｇａ ｔ ｏ ｓｐｒ ｓ ｎ — ｓｒ ｃ ｓ ｄ ｏ ｈ ｍｐ ｔ ｔｏ ａ ｕ ｄ Ｄｙ ａ ｃ ｏｔ ｒ ｇ ａ ｉ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｉ ｅ ｅ ｔ ｅ ｏｎ ｄ ｔ ｕｍｅ ｉａｌ ｉ ｕ ａｅ ｓ ｐ ｒ ｏ ｌ ｄ ｄ ｏ ｌ ｔ ｍｐｉ ｇ ｍ ｅ ｔｏ ｈ ｌ ｏ ｏ ａｉ ｇ ｃ ｍ ｐ ｎ ｎ ｓｂ ｍｐ ｏ — ｒｃ ｌ ｓｍ ｌｔ ｕ ｅ ｃ ｏｅ ｒ ｐ ｅｓｉ ｙ ｎ ｅ ｎ ｎ ｔ ｅｗａｌ ｆｒ ｔｔｎ ｏ ｏ ｅ ｔ ｙ ｅ ｌ ｙ
不结 冰 ， 优 点是 技 术成 熟 、 靠 ； 者则 通 过水 滴 其 可 后
撞 击 特 性研 究 ， 旋 转 帽罩 等 部件 的外 形 进 行优 化 对 设计 ， 配合 材料 或涂层 技术 来达 到 防冰 目的 ， 样对 这 整机 性 能更 为 有利 ， 同时也 能 使发 动 机 的结 构得 到 简化 。
其 中 ，。 Ｊ 为空 气密 度 ， 为 粘性 系数 。 口
２３ 边 界条 件 ． 求 解旋转 帽 罩周 围流场 的边 界条 件设 置如下 ：
ｆ 对 锥体 半锥 角为 ２ 。 １ ） ０时不 同帽罩 转速 （ ０ ０ ３ ０
ｒ ｉ 、 ０ ｍｉ、 ０ ｍ ｎ及 帽罩 静 止条 件下 的 ／ ｎ ６０ ０ｒ ｎ ９０ ０ｒ ｉ） ｍ ／ ／ 局 部 水收 集 系数进 行 比较 。 （ 对 帽 罩 转 速 为 ６ ０ ０ｒ ｎ时 ４个 半 锥 角 ２ ） ０ ｍｉ ／
作 者 简 介 ： 秋 月 （９ ５ ）女 ， 龙 江 五 常 人 ， 士 研 究 生 ， 要 研 究 飞 机 及 发 动 机部 件 的 防 冰 。 赵 １ ８一 ， 黑 硕 主
第 ２ 卷 ４
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
３ ３
外 形 为 锥 体 （ 图 １。锥 体 长 度 为 ０５ 固定 不 见 ） ．２ｍ，
Ｐ ＝ ／ ｎ Ａ （ ） １ ０
作如 下假 设 ： 过冷水 滴 在流 场 中均匀 分布 ， 以球 ① 且
形存 在 ， 不分 解 ， 不变 形 ； 水 滴 在运 动 过 程 中其 温 ② 度 、 性 、 度 等介 质 参 数保 持 不 变 ； 由于水 滴 密 粘 密 ③ 度 要 远 大 于 空气 密 度 ， 忽 略 由压 力 梯 度 引起 的力 故 和表 观 质 量 力及 气 动 升力 。另 外 ， 由于 重 力对 局 部 水 收 集 系 数 及 收 集 区域 的影 响很 小 ， 忽 略 。 因 可 此 ， 文 只考 虑作 用在 水滴 上 的粘性 阻力 。 本 在拉 格 朗 日坐标 系下 ， 通过 分 析作 用在 水 滴 上 的力 平 衡来 确 定 离 散相 颗 粒 的轨迹 ， 由牛顿 第 二定
ｉｇｕｅ ｅｉｅ ｎｔ ｎ（Ｄ ）ｔｅｍ ｔｏ ａ ｐ ｌ ｄｔ ｓ ｄ ｅｉ ｐｎ ｉｇｃ ａａｔｒ ｔ ｓ ｆｈ ｏ ｔ ｎ ｓｒ ｆ ｄｆ ｃｉ Ｕ Ｆ；ｈ ｅｈ ｄｗ ｓ ｐｉ ｔ ｙｔ ｉｇｎ ｈ ｒｃ ｉ ｉ ｅｒｔ — ｄ ｎ ｕ ｏ ａ ｅ ｏ ｕ ｈ ｍ ｅ ｓｃ ｏｔ ａ
局 部水 收集 系数 是指 微元 表 面 的实 际水 收 集 量 与该 微 元 表 面上 最 大 可 能 水 收 集 量
比 ， 以写成 ： 可 卢＝ ／ … （） ６
之
，
多重参 考模 型 的粒 子跟 踪和 耦合 离散 相轨 迹模 型 是 基 于绝 对 速 度 的质 点 跟 踪 ， 于绝 对 速 度 的稳 基 态旋 转 参考 坐标 系 的连续 性方 程 和动 量方 程如 下 ： 源自第２ ４卷 第 ４期 ３ ２
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
Ｇａ ｂ ｎ ｐｅ ｉ ｅ ｎ ｓ ａ ｃ ｓＴｕｒ ｉ ｅ Ｅｘ ｒｍ ｎｔａ ｄ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ
Ｖｏ． Ｎｏ４ １２４， ． ＮＯ ．Ｏｌ１ Ｖ． ２
２１ ０ １年 １ 月 １
摘
要 ： 于计 算流 体力 学软件 Ｆ Ｕ Ｎ 采用拉格 朗 日法 ， 基 Ｌ Ｅ Ｔ， 提出了一种求取旋转部件表面水滴收集系数的方法 ， 并
采 用 用 户 自定 义 函 数 ｆＤ ） 以 实 现 。将 该 方 法 运 用 于 发 动 机 旋 转整 流 帽 罩 的 水 滴 撞 击 特 性 研 究 ， ｕ Ｆ予 结果 表 明 ： 随着 帽
罩 锥体 锥角及转 速的增大 ， 帽罩表面的局 部水 收集 系数沿其表面外形线下降较快 ， 且撞击 区域变小 。
ｉ ａ ｒｎｇｏ ｅ ｏ ｅ ｇ ｎ ． ｅ ｃ ｍ ｐ ｔ ｔｏ ａ ｅ ｕ ｔ ｎ ｉ ａ ｅｔ ｔａ ｈ ｏ ｎ ｌ ｎｄ ｔ ｅ ｒ ｔ ｔｎ ｐ ｅ ｎｇｆ ｉｉ ｆａ ｒ － ｎ ｉ ｅ Ｔｈ ｏ ｕ ａｉ ｎ ｌｒ ｓ ｌｓｉ ｄ ｃ ｔ ｈａ ｓｔ ｅ ｃ ｎｅ ａ ｇ ｅ ａ ｈ ｏａ ｉ ｇ ｓ ｅ ｄ ｇ ｏ ｔ ｅｃ ｌｅ ｔｏ ｆｉ ｉ ｎ ｉ ｓｆ ｌ ｒ ｐ ｄ ｙａ ｄ ｔ ｅｉ ｐ ｎ ｅ ｎ ｉ ｉｓｂｅ ｏ ｍ ａｌａｏ ｇｔ ｕ ｆ ｃ ． ｒ ｗ， ｈ ｏｌ ｃ ｉｎ ｅ ｃ ｅ ｃｅ ａ ｌ ａ ｉ ｌ ｎ ｈ ｍ ｉ ｇ ｍｅ ｔ ｍ ｔ ｃ ｍｅｓ ｌ ｌ ｎ ｈｅｓ ｒａ ｅ ｌ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ：ｏ ａｉ ｇｆ ｉｉ ｇ；ｕｐ ｒ ｏ ｌ ｄｄｒ ｐ ｅ ｓ ａ ｔ— ｃ ｎ ｃ ｌｅ ｔｏ ｆｉ ｉｎ ｙ； ｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｌ ｔｏ ｄ ｒ ｔｔｎ ａｒｎ ｓ ｅ ｃ ｏｅ ｏ ｌ ｔ ； ｎ ｉ ｉ ｉ ｇ； ｏｌ ｃｉ ｎ ｅｆｃ ｅ ｃ ｎ ｍ ｒｃ ｌｓｍｕ ａ ｉｎ
２ 计 算 模 型 与 方 法
计 算 对象 为 航 空发 动 机旋 转 整 流 帽罩 ， 几 何 其
热式 和不 加热式 两 种 。前 者从 压气 机 中引 出高温 气
收 稿 日期 ： ０ １ Ｏ 一 ５ 修 回 日期 ： ０ ｌ １— ５ ２ １一 ｌ ２ ； ２ １一０２
基金项 目：国家 自然科学基金（１７ １３ ５０６０）
本 文 在前人 非旋 转部 件及 防冰 支板水 滴撞 击特
性 计 算 方 法 的基 础 上 ， 于 Ｆ Ｕ Ｎ 提 出 了发 基 Ｌ Ｅ Ｔ， 动 机旋 转 整 流 帽罩 的水 滴撞 击 特 性计 算 方 法 ， 并利 用该 方法 对不 同 帽罩锥体 锥 角和不 同转 速下 帽罩 的 水滴 撞击 特性 进行 了研究 。
式 中 ： 为 空 气 密度 ，， 相 对 速度 矢 量 ， Ｐ 为 为绝 对 速 度矢 量 ， 西为旋转 速 度矢 量 ， 为 压力 ， Ｐ 为粘 性应 力 ，
Ｆ为源相 。
＝ ｄ ｐ ・ｓ
（） ７
＝ 。ｄ ｐ ・ｓ
（） ８
２２ 水 滴控 制 方程 ． 在 水 滴撞 击 特 性 的计 算 方 法 上 ， 要 有 欧拉 法 主 和 拉 格 朗 日法 。拉 格 朗 日法 水 滴 运 动 方 程 形 式 ， 简 单 ， 解 方 法 成 熟 ， 此 广 泛应 用 于 积 冰研 究 － 求 因 ｓ 。 本 文 采用 拉 格 朗 日法 建 立 过冷 水 滴 的运 动方 程 ， 并