热气冲击射流换热特性与防冰效果

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32653

流体力学与飞行力学

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热气冲击射流换热特性与防冰效果

刘宇阳¹^,², 代欣波¹^,², 王强¹^,², 易贤¹^,²()

^1.空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室，绵阳 621000
^2.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

收稿日期:2025-08-03 修回日期:2025-08-21 接受日期:2025-09-15 出版日期:2025-09-19 发布日期:2025-09-18
通讯作者: 易贤 E-mail:yixian_2000@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12302308);国家重大科技专项（J2019-Ⅲ-0010-0054）

Heat transfer characteristics and anti-icing performance of hot-air impingement jets

Yuyang LIU¹^,², Xinbo DAI¹^,², Qiang WANG¹^,², Xian YI¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Aerodynamics，Mianyang 621000，China
^2.Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2025-08-03 Revised:2025-08-21 Accepted:2025-09-15 Online:2025-09-19 Published:2025-09-18
Contact: Xian YI E-mail:yixian_2000@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12302308);National Major Science and Technology Project （J2019-Ⅲ-0010-0054）

摘要/Abstract

摘要：

针对具有笛型试管的短舱双排冲击射流热气防冰结构，通过试验与数值模拟相结合的方法，系统研究了冲击射流换热特性、防冰性能。试验采用瞬态热色液晶传热测试技术，在雷诺数15 000~40 000范围内获得了防冰腔内壁高分辨率的努塞尔数分布，并建立了适用于工程设计的换热关联模型。数值计算通过内外流固耦合防冰仿真，分析了典型工况下的防冰温度分布规律。结果表明：雷诺数由15 000增至40 000时，唇口内壁平均努塞尔数增大了2.4倍，热气耗气量增大约2.7倍，防冰表面平均温度仅升高了28.4 ℃。揭示了单纯增加耗气量对防冰效率提升十分有限，结构优化、强化换热等提高壁温的手段存在显著降低防冰耗气量的空间。攻角变化对防冰效果影响显著，5.6°攻角导致表面平均防冰温度较0°攻角降低约13.6 ℃，表明优化射流布局以匹配最大结冰负荷区域的重要性。

关键词: 航空发动机, 短舱, 热气防冰, 冲击换热, 瞬态液晶

Abstract:

This study presents a combined test and numerical investigation of heat transfer characteristics and anti-icing performance of a nacelle hot-air anti-icing system， which employs a double-row impinging jet configuration integrated with a piccolo tube. High-resolution Nusselt number distributions on the inner surface of the anti-icing cavity were obtained by using transient thermochromic liquid crystal thermography over a Reynolds number range of 15 000 to 40 000， leading to the establishment of a heat transfer correlation model suitable for engineering applications. Through internal-to-external conjugate heat transfer simulations， the anti-icing temperature distributions under typical nacelle operating conditions were further analyzed. The results demonstrate that increasing the Reynolds number from 15 000 to 40 000 enhances the average Nusselt number at the inner lip surface by a factor of 2.4 and raises the hot-air consumption by approximately 2.7 times， whereas the average anti-icing surface temperature increases by only 28.4 ℃. These findings indicate that merely increasing hot-air mass flow provides limited improvement in anti-icing efficiency and highlight substantial potential for reducing air consumption through structural optimization and heat transfer enhancement. Moreover， variations in the angle of attack significantly influence anti-icing performance， as a 5.6° angle of attack reduces the average surface temperature by approximate 13.6 ℃ compared to the 0° condition， underscoring the importance of optimizing jet arrangement to align with regions experiencing the highest icing loads.

Key words: aircraft engine, nacelle, hot-air anti-icing, impingement heat transfer, transient liquid crystal

中图分类号:

刘宇阳, 代欣波, 王强, 易贤. 热气冲击射流换热特性与防冰效果[J]. 航空学报, 2026, 47(12): 132653.

Yuyang LIU, Xinbo DAI, Qiang WANG, Xian YI. Heat transfer characteristics and anti-icing performance of hot-air impingement jets[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(12): 132653.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

表1

图 4

图 5

图 6

表2

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

表3

唇口内壁Nu¯计算结果与测量数据的偏差

Re	$N u ¯$		偏差/%
Re	数值计算	试验	偏差/%
15 000	42.3	39.2	7.9
20 000	55.1	50.0	10.2
25 000	66.2	61.2	8.2
30 000	75.4	71.7	5.2
35 000	86.6	82.1	5.5
40 000	98.7	92.1	7.2

表3

图 12

图 13

图 14

参考文献 29

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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

参数	数值	参数	数值
D/m	0.01	α/（°）	±15
R/m	0.06	Re	15 000~40 000
S/m	0.05	S/D	5.0
H/m	0.03	H/D	3.0
L/m	0.01	L/D	1.0

工况	LWC/（g·m^-3）	MVD/μm	V/（m·s^-1）	攻角/（°）	T_s/℃	T_h/℃
1	0.455	20.0	134.7	0	-8.6	145.0
2	0.455	20.0	134.7	5.6	-8.6	145.0
3	0.374	20.0	134.7	4.6	-12.4	145.0
4	0.437	21.4	140.0	4.6	-16.7	145.0

热气冲击射流换热特性与防冰效果

Heat transfer characteristics and anti-icing performance of hot-air impingement jets

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