多步法冰晶积冰数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29308

流体力学与飞行力学

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多步法冰晶积冰数值模拟

卜雪琴¹(), 黄平¹, 林贵平¹^,², 楼燕霞¹

^1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191
^2.北京航空航天大学杭州国际创新研究院，杭州 311115

收稿日期:2023-07-11 修回日期:2023-08-03 接受日期:2023-10-11 出版日期:2023-11-09 发布日期:2023-11-01
通讯作者: 卜雪琴 E-mail:buxueqin@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52272428);国家重点研发计划(2021YFB2601700);中央高校基本科研业务费(YWF-22-L-732)

Multi⁃step method for numerical simulation of ice crystal icing

Xueqin BU¹(), Ping HUANG¹, Guiping LIN¹^,², Yanxia LOU¹

^1.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Hangzhou International Innovation Institute of Beihang University，Hangzhou 311115，China

Received:2023-07-11 Revised:2023-08-03 Accepted:2023-10-11 Online:2023-11-09 Published:2023-11-01
Contact: Xueqin BU E-mail:buxueqin@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52272428);National Key Research and Development Program of China(2021YFB2601700);Fundamental Research Funds for the Central Universities(YWF-22-L-732)

摘要/Abstract

摘要：

近年来，冰晶结冰问题逐渐成为飞机/发动机防除冰领域研究的热点。为了实现对冰晶积冰过程的准确预测，建立了冰晶结冰计算模型，包括考虑了不规则形状的冰晶运动轨迹模型、冰晶结冰质量动量守恒模型、黏附模型、侵蚀模型。采用时间多步法模拟积冰过程，在每个时间步长内更新空气流场、冰晶粒子运动轨迹、结冰热力学计算结果，并利用动网格技术更新冰形的几何边界。研究结果表明，利用时间多步法进行计算，能够实现稳定冰形的模拟。稳定冰形形成的原因在于：一方面，积冰减少了表面冰晶的黏附量；另一方面，积冰增大了对已形成积冰的侵蚀量，最终使黏附积冰过程与侵蚀过程达到动态平衡。本文模型和计算方法适用于低融化率情况，能够对三维结构冰晶结冰数值模拟提供指导，但对于高融化率情况还需要进一步考虑积冰向下游流走的情况。

关键词: 冰晶结冰, 黏附, 侵蚀, 多步法, 动网格

Abstract:

In recent years， ice crystal icing has emerged as a prominent and challenging research area in aircraft and engine anti-icing. This paper presents a computational model for accurate prediction of the ice crystal icing process. The proposed model encompasses a trajectory model that accounts for irregular ice crystal shapes， an adhesion model， an erosion model， and a thermodynamic model for icing. The multi-step method is employed to simulate the ice accumulation process， involving the updating of the airflow field， ice crystal particle trajectories， and thermodynamic calculations at each time step. Additionally， the dynamic mesh technology is utilized to update the geometric boundaries of the ice formation. The research findings demonstrate that the application of the multi-step method enables stable simulation of ice formation. The stability of the ice shapes is attributed to the combined effects of reduced adhesion on the surface of ice crystals and increased erosion on pre-existing ice， ultimately leading to a dynamic equilibrium between the adhesion and erosion processes. It should be noted that the proposed model and computational approach in this paper are specifically suited for low melting rate conditions， which can guide the precise simulation of three-dimensional structural ice crystal icing in future investigations. While high melting rate scenarios would necessitate consideration of the downstream flow of ice in the future.

Key words: ice crystal icing, adhesion, erosion, multi-step method, dynamic mesh

中图分类号:

V244.1

卜雪琴, 黄平, 林贵平, 楼燕霞. 多步法冰晶积冰数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 129308-129308.

Xueqin BU, Ping HUANG, Guiping LIN, Yanxia LOU. Multi⁃step method for numerical simulation of ice crystal icing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(14): 129308-129308.

图/表 19

图 1

图 2

图 3

表 1

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表 2

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图 15

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

变量	Case9	Case10	Case19	Case20
环境压力/kPa	98	98	98	98
环境温度/K	266.18	266.18	260.65	260.65
马赫数Ma	0.163	0.163	0.165	0.165
液态水含量/（g·m^-3）	0.7	0.7	0.3	0.7
水滴当量直径/μm	20	20	20	20
冰晶含量/（g·m^-3）	0	0.7	0.7	0.3
冰晶当量直径/μm		200	150	150
结冰时间/s	600	600	600	600
攻角/（°）	0	0	0	0

变量	Run17	Run67	Run77	Run92
环境压力/kPa	34.5	34.5	34.5	34.5
总温/℃	15	15	15	15
马赫数Ma	0.25	0.25	0.25	0.25
冰晶含量/（g·m^-3）	6	6	6	6
冰晶当量直径/μm	52.7	52.7	52.7	52.7
攻角/（°）	0	0	0	0
融化率/%	6	16.6	11.2	26.4
相对湿度/%	27.6	34.7	40.1	54.0
结冰时间/s	300	382	300	300

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多步法冰晶积冰数值模拟

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