翼面结冰过程中的冰晶运动相变与黏附特性

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27817

结冰和防冰研究专栏

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翼面结冰过程中的冰晶运动相变与黏附特性

马乙楗¹^,², 柴得林¹, 王强¹^,², 易贤¹^,²(), 孔满昭³

^1.中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室，绵阳 621000
^2.中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，绵阳 621000
^3.航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089

收稿日期:2022-07-15 修回日期:2022-08-01 接受日期:2022-08-11 出版日期:2023-01-15 发布日期:2022-08-17
通讯作者: 易贤 E-mail:yixian_2000@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12132019);国家科技重大专项(J2019-III-0010-0054)

Phase change and adhesion characteristics of ice crystal movements in wing icing

Yijian MA¹^,², Delin CHAI¹, Qiang WANG¹^,², Xian YI¹^,²(), Manzhao KONG³

^1.Key Laboratory of Icing and Anti /De-icing，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^2.State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^3.AVIC The First Aircraft Design Institute，Xi ’an 710089，China

Received:2022-07-15 Revised:2022-08-01 Accepted:2022-08-11 Online:2023-01-15 Published:2022-08-17
Contact: Xian YI E-mail:yixian_2000@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12132019);National Science and Technology Major Project(J2019-III-0010-0054)

摘要/Abstract

摘要：

冰晶的运动、相变、黏附现象广泛存在于航空发动机内部结冰过程中，开展相应的计算方法研究，系统分析冰晶运动相变与黏附特性是研究发动机内部结冰、保证飞行安全的迫切需求。针对冰晶运动相变及黏附特性计算，建立了拉格朗日框架下冰晶运动-传热传质耦合的数值计算方法，分析了基于Monte Carlo方法的冰晶撞击与黏附收集系数计算方法，基于NNWICE平台开发了相应的计算程序。以NACA0012翼型为对象，计算研究了扁椭球状、六角平板状和长椭球状3种非球状冰晶颗粒与球状冰晶的运动、传热传质过程，系统分析了来流温度等参数对冰晶黏附特性的影响，得到了冰晶形状对冰晶运动轨迹和融化过程的影响规律及来流总温与液态水含量/总水含量（LWC/TWC）对冰晶黏附特性的影响规律。相关工作为进一步分析混合相结冰数值模拟计算奠定了工作基础。

关键词: 混合相结冰, 冰晶形状, 融化率, 黏附效率, 收集系数

Abstract:

The movement， phase change and adhesion of ice crystals widely exist in the process of internal icing of aircraft engines. To study the internal icing of the engine and ensure flight safety， we explore the corresponding calculation methods， and systematically analyze the phase transition and adhesion characteristics of ice crystals. In view of the calculation of the phase transition and adhesion characteristics of ice crystals， a numerical calculation method of coupling the ice crystal motion-heat and the mass transfer under the Lagrange framework was established， the calculation method of the impact and adhesion collection coefficient of ice crystals based on the Monte Carlo method proposed， and the corresponding calculation procedure developed based on the NNWICE platform. Taking the NACA0012 airfoil as the research object， we calculated the motion and heat transfer process of three non-spherical ice crystal particles and spherical ice crystals in oblate， hexagonal flat and prolate， systematically analyzing the influence of incoming flow temperature on the adhesion characteristics of ice crystals. The influence of the ice crystal shape on the motion trajectory and melting process of ice crystals， and the effect of the total temperature of the incoming flow and Liquid Water Content/Total Water Content （LWC/TWC） on the adhesion characteristics of ice crystals were obtained. This work lays the foundation for further development of numerical simulation calculations for mixed-phase icing.

Key words: mixed phase icing, ice crystal shape, melting ratio, sticking efficiency, collection coefficient

中图分类号:

V211.41

马乙楗, 柴得林, 王强, 易贤, 孔满昭. 翼面结冰过程中的冰晶运动相变与黏附特性[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 627817-627817.

Yijian MA, Delin CHAI, Qiang WANG, Xian YI, Manzhao KONG. Phase change and adhesion characteristics of ice crystal movements in wing icing[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(1): 627817-627817.

图/表 17

图1

表1

冰晶形状参数计算公式［15］

冰晶形状	冰晶纵横比 E	冰晶球度 $Φ$	冰晶横向球度 $Φ ⊥$
球状	1	1	1
扁椭球状	$18 d p a 3$	$4 E 2 / 3 2 + E 2 e l n 1 + e 1 - e$	$E 2 / 3$
六角平板状	$43 π 27 d p a 3$	$4 π 33 + 12 E 93 4 π E 2 / 3$	$2 π 33 93 4 π E 2 / 3$
长椭球状	$122 d p a 3 / 2$	$2 E 2 / 3 1 + E a r c s i n e e$	$E - 1 / 3$

表1

图2

表2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

表3

不同来流总温收集系数曲线主要特征对比

参数	数值
参数	T_t∞=-5 ℃	T_t∞=5 ℃	T_t∞=15 ℃	T_t∞=35 ℃
$β i m p, c$ 峰值	0.665 18	0.665 09	0.699 97	0.832 03
$β c a t c h$ 峰值	0.265 89	0.265 80	0.300 29	0.825 14
峰值降幅	60.03%	60.04%	57.10%	0.83%
撞击上极限弧面坐标	0.052 68	0.052 64	0.073 93	0.124 14
黏附上极限弧面坐标	0.037 20	0.037 08	0.073 93	0.124 14
上极限降幅	29.38%	29.56%	0	0

表3

表4

不同来流云雾条件下收集系数曲线主要特征对比（算例9~算例12）

参数	数值
参数	算例9	算例10	算例11	算例12
$β i m p, c$ 峰值	0.665 18	0.665 18	0.665 18	0.665 18
$β c a t c h$ 峰值	0.183 40	0.106 49	0.265 89	0.183 51
峰值降幅	72.43%	83.99%	60.03%	72.41%

表4

图11

表5

不同来流云雾条件下收集系数曲线主要特征对比（算例13~算例16）

参数	数值
参数	算例13	算例14	算例15	算例16
$β i m p, c$ 峰值	0.699 97	0.699 97	0.699 97	0.699 97
$β c a t c h$ 峰值	0.276 30	0.276 06	0.300 29	0.276 15
峰值降幅	60.53%	60.56%	57.10%	60.55%

表5

图12

参考文献 22

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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算例	来流速度/（m·s^-1）	压力/Pa	总温/℃	水滴MVD/μm	冰晶MVD/μm	冰晶初始温度/℃	LWC/（g·m^-3）	IWC/（g·m^-3）
1	54	98 000	-5	20	150	-10	0.7	0.3
2	54	98 000	35	20	150	-10	0.7	0.3

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翼面结冰过程中的冰晶运动相变与黏附特性

Phase change and adhesion characteristics of ice crystal movements in wing icing

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