衝擊‑熱氣膜複合式防冰結構設計方法與流程
2023-05-31 05:17:41
本發明涉及一種基於衝擊-熱氣膜防冰方法的航空發動機進氣部件的結構設計方法，適用於航空發動機前緣部件防冰結構設計，屬於航空發動機防冰領域。
背景技術：
航空發動機在結冰氣象條件下會發生結冰現象，發動機前緣進氣部件結冰對發動機的影響很大，會使發動機功率降低，嚴重時造成發動機損壞。目前我國國軍標和適航規章均對渦扇發動機防冰提出了一定的設計要求。
防冰技術對發動機的安全具有重要意義。目前多採用的防冰方法為熱氣式，即從壓氣機引入熱氣，對需要防護的表面進行加熱來防止結冰。複合材料具有強度高且質量輕的優點，在飛機發動機上已得到廣泛的應用，鑑於複合材料導熱係數較低，限制了熱氣防冰的傳熱效率，需要改進設計使得複合材料部件達到防冰要求。
新型航空發動機進氣部件採用(支板、帽罩)全複合材料結構或金屬前緣的複合材料結構。複合材料導熱係數較小，為實現前緣及中後部待防護壁面的防冰要求，可採用高效的衝擊-熱氣膜複合式熱氣防冰結構，即採用熱氣衝擊部件前緣內部，採用氣膜縫結構排氣。衝擊氣體通過前緣壁面導熱進行防冰，氣膜縫排出氣體對縫後壁面進行加熱，同時可將撞擊到中後部的水滴吹離壁面，具有一定的防冰效果。
一些學者對衝擊-熱氣膜複合式防冰結構的流動換熱特性和水滴撞擊特性進行了探究。
李雲單、陸海鷹(2011)等針對發動機衝擊-氣膜防冰結構進行了衝擊換熱研究，研究發現整流支板衝擊換熱結構的換熱規律與單獨衝擊換熱機構是一致的。Dong W、Zhu J(2015)等用數值模擬方法和試驗研究了帽罩氣膜加熱的性能，氣膜從帽罩前端排出，用拉格朗日法計算了水滴運動軌跡，耦合考慮了傳質與傳熱對帽罩表面溫度的影響。發現前端排出的氣膜對水滴運動軌跡產生了一定的影響。(Dong W,Zhu J,Zheng M,et al.Thermal Analysis and Testing of Nonrotating Cone with Hot-Air Anti-Icing System[J].Journal of Propulsion and Power,2015,31(3):896-903.)
相關的發明專利和實用新型專利如下。
北京航空航天大學公開了一種飛機短艙前緣氣膜式防冰結構，採用主動防禦策略，通過外壁面的氣膜孔引氣能迅速在結冰表面形成高溫氣體的熱覆蓋，在防冰時效性方面具有很強的優勢。通過在環形熱氣管前端開設出流孔，既可以減少熱氣體在環形熱氣管道內的壓頭損失，也可以對內壁面進行強有力的衝擊換熱，提高熱利用率。(北京航空航天大學.一種飛機短艙前緣氣膜式防冰結構.中國，發明，CN101962076A，2011.02.02)
瀋陽發動機設計研究所公開了一種航空發動機進口整流帽罩的防冰傳熱結構，包括帽罩內壁前緣射流孔，帽罩內壁上周向均布的射流孔，防冰熱氣通道，帽罩尾端的通氣孔；合理的利用了防冰熱氣的焓值，有效提高了防冰熱氣的使用效率，節約了防冰熱氣引氣量，減少了防冰引氣帶來的代償損失，有利於提高發動機總體性能。
因此，衝擊-熱氣膜複合式防冰方法在防冰結構中應用日趨廣泛，針對該結構的流動、換熱特性研究也逐步展開。但是由於衝擊-熱氣膜複合式防冰結構的複雜性，多數學者只是初步研究了特定結構下的流動換熱特性或水滴撞擊特性，鮮有從設計角度對該防冰結構的複雜流動換熱規律進行全面的研究，同時也缺乏系統的防冰結構設計方法。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種衝擊-熱氣膜複合式防冰結構設計方法，針對衝擊-熱氣膜複合式熱氣防冰結構，採用劃分區域分別研究再耦合的方式，利用經驗公式法和批量計算法，對傳統的研究方法進行了改進。
為了更高效的對衝擊-熱氣膜複合式熱氣防冰結構進行防冰計算研究，本發明提出了一套衝擊-熱氣膜複合式防冰結構設計方法和流程。對於衝擊-熱氣膜複合式熱氣防冰結構，其不同區域有不同的流動換熱特點，各個區域的防冰方式及研究方法也不同。將部件進行區域劃分並分別針對性的研究，可有效提高研究效率。
該設計方法和流程從設計的角度綜合考慮防冰部件各個區域的流場參數，在穩態換熱情況下，給出了求取使得防冰部件待防護區域的表面溫度達到防冰要求所需要的部件結構及相應的供氣參數的方法和流程。
本發明的優點在於：
針對衝擊-熱氣膜複合式熱氣防冰結構，分區域求解再合併的方式可以較好的利用成熟的衝擊和氣膜的流動傳熱特性規律，利用此方法巧妙地解決了衝擊-氣膜耦合流動傳熱結構複雜的問題。將結構設計作為流程中內嵌的一環，可以考慮各種結構參數及熱氣參數的影響規律，迭代得出滿足防冰要求的防冰結構和相應的供氣參數。
同時，分區研究的方法也使得其適用性更加廣泛。例如對於整流支板等翼型類結構，前緣壁面較厚，而水滴撞擊區域較小，分區研究發現前緣的導熱問題是防冰研究的關鍵，因此要注意提高衝擊換熱效果；而對於帽罩等旋成體結構，壁面較薄但水滴撞擊範圍很大，分區研究發現中後部壁面的水滴撞擊區域的溫度提升是防冰研究的關鍵，因此要注意提高氣膜的作用效果，一方面增強氣膜對表面的加熱作用，一方面增強氣膜對水滴的吹拂作用。
附圖說明
圖1是研究區域劃分示意圖；
圖2是部件結構設計流程圖；
圖3是結構設計流程圖；
圖中：
1.駐點區 2.氣膜縫前區域 3.氣膜縫後區域
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種衝擊-熱氣膜複合式防冰結構設計方法，為方便描述方法和流程，在進行設計流程前，首先需要對衝擊-熱氣膜複合式防冰結構的表面進行區域劃分；並描述所劃分各個區域的流動換熱特點。如圖1所示，按照受熱氣影響方式的區別，將衝擊-氣膜複合式防冰結構的表面分為三個區域，駐點區1，氣膜縫前區域2，氣膜縫後區域3，受各個區域位置及防冰方法的影響，三個區域的研究方法有所不同。
對於駐點區1，水滴撞擊特性及衝擊換熱特性幾乎不受氣膜的作用，因此採用傳統的由水滴撞擊特性確定防冰熱載荷，並根據基本衝擊換熱特性進行研究。對於氣膜縫前區域2，由於其位置的特殊性，既受到衝擊加熱，氣膜流出過程中又通過氣膜縫壁進行導熱，可使該區域溫度明顯提高，不是關注的重點。對於氣膜縫後區域3，需要在水滴撞擊極限的範圍內，壁面溫度達到防冰要求，可用氣膜加熱的方法研究。
針對氣膜縫後區域3，進行防冰結構設計，區域劃分完成的基礎上，可應用本發明提出的設計流程，圖2為本發明的部件結構設計流程圖。按照確定設計條件、計算水滴撞擊特性及防冰熱載荷、結構設計、分區求解耦合得到供氣需求、確定防冰結構和供氣需求的流程展開防冰設計研究。其中箭頭給出了研究步驟的方向，平行四邊形框為輸入輸出參數。
該方法和流程具體步驟如下：
1)確定設計條件。根據適航規章和國軍標確定防冰設計狀態點，對流程輸入設計條件，包括外流場主流溫度T，主流速度u，液態水含量LWC，水滴直徑d。
2)計算水滴撞擊特性與防冰熱載荷。對防冰部件的開縫及不開縫結構，研究水滴撞擊特性規律，得到最大局部水收集係數βmax，水滴撞擊極限SL。根據局部水收集係數β的分布及外壁面防冰極限溫度tw0＝2℃計算駐點所需熱流密度水滴撞擊特性計算可採用拉格朗日法和歐拉法，可利用FLUENT的DPM模型和用戶自定義函數來實現，用UDF程序算出壁面熱流密度。
3)根據初步結構及參數影響規律分析進行結構設計。本步驟在初步設計基礎上研究各個結構參數對防冰效果的影響後，得出了一定供氣範圍內的防冰效果較好的結構參數，作為本步驟的初值。如圖3所示。結構設計分為初步設計和詳細設計兩個階段。初步設計階段，確定防冰方案(衝擊-熱氣膜複合式防冰)與兩種初步構型(通縫、離散孔)。詳細設計階段，首先通過二維計算進行特性研究，得到氣膜加熱特性及水滴撞擊特性的一些規律，從而確定防冰方案的可行性及孔形優化的方式；接著通過三維計算的初步探索，確定結構的初步構型及基本的求解方法；最後通過三維數值模擬計算各結構參數的影響，確定各結構參數。在詳細設計階段的基礎上，確定最終構型。
4)確定駐點區和氣膜縫後區域的供氣需求，即供氣溫度-流量關係。對於防冰結構表面上的各個分區(由於前述說明了區域2不是關注重點，因此這裡指的是駐點區1區和氣膜縫後區域3區)，給定引氣流量確定需求的熱氣溫度Th。得出曲線，即給定供氣流量時達到防冰要求所需求的最低供氣溫度。確定供氣參數的方法有兩種，一是根據計算提取出可以利用的經驗公式，將經驗公式應用於劃分的不同研究區域從而得出需求的供氣參數；二是直接通過大量的計算，通過防冰要求得出需求的供氣參數。其中，駐點區主要考慮衝擊換熱的作用，氣膜縫後區域主要考慮氣膜加熱的作用。例如，通過研究發現，對於整流支板等翼型類結構，前緣壁面較厚，而水滴撞擊區域較小，分區研究發現前緣的導熱問題是防冰研究的關鍵，因此要注意提高衝擊換熱效果；而對於帽罩等旋成體結構，壁面較薄但水滴撞擊範圍很大，分區研究發現中後部壁面的水滴撞擊區域的溫度提升是防冰研究的關鍵，因此要注意提高氣膜的作用效果，一方面增強氣膜對表面的加熱作用，一方面增強氣膜對水滴的吹拂作用。
5)得出整體需求供氣參數。取步驟4)駐點區和氣膜縫後區域兩個區域供氣區間的交集，並考慮材料的耐溫限制Tmax，及最大最小引氣流量和得出供氣範圍。
6)判斷供氣參數能否滿足實際條件，若不在實驗可提供的引氣流量、溫度或材料耐溫限制內，則返回重新進行結構設計。若滿足實際條件，則繼續下一步。
7)確定防冰結構和相應的供氣參數，指導實驗並提供參考。防冰結構包括該衝擊-熱氣膜複合式防冰結構的開縫方式、相對衝擊距、氣膜縫寬度、氣膜縫位置等。供氣參數包括熱氣質量流量、熱氣溫度、熱氣壓力等。
本發明的防冰部件結構設計方法和流程與傳統方法的區別在於：1)研究對象不同，本發明針對的是衝擊-熱氣膜複合式熱氣防冰結構，而傳統方法針對的通常為連續表面的防冰結構；2)研究方式不同，本發明採用劃分區域、分別研究再耦合的方式，不同於傳統方法整體研究的方式；3)研究方法不同，本發明採用經驗公式法或批量計算法；4)研究流程不同，本發明把結構設計作為內嵌的一個重要步驟，可實現迭代研究。
具體實施例：
為研究方便，對於一個衝擊-氣膜複合式防冰結構，根據其氣膜縫的位置將結構分為三個區域：1駐點區，2氣膜縫前區域，3氣膜縫後區域，見圖1。受各個區域位置及防冰方法的影響，三個區域的研究方法有所不同：對於1區，水滴撞擊特性及衝擊換熱特性幾乎不受氣膜的作用，因此可用傳統的由水滴撞擊特性確定防冰熱載荷，並根據基本衝擊換熱特性進行研究。對於2區，由於其位置的特殊性，既受到衝擊加熱，氣膜流出過程中又通過氣膜縫壁進行導熱，可使該區域溫度明顯提高，不是關注的重點。對於3區，需要在水滴撞擊極限的範圍內，壁面溫度達到防冰要求，可用氣膜加熱的方法研究。
圖2為本發明的部件結構設計流程圖。按照確定設計條件、計算水滴撞擊特性及防冰熱載荷、結構設計、分區求解耦合得到供氣需求、確定防冰結構和供氣需求的流程展開防冰設計研究。每個步驟的具體實施方法如下：
該方法和流程具體步驟如下：
1)確定設計條件。根據適航規章和國軍標的要求，來對流程輸入設計條件，包括外流場主流溫度T，主流速度u，液態水含量LWC，水滴直徑d。
2)計算水滴撞擊特性與防冰熱載荷。對防冰部件的開縫及不開縫結構，研究水滴撞擊特性規律，得到最大局部水收集係數βmax，水滴撞擊極限SL。根據局部水收集係數β的分布及外壁面溫度防冰極限溫度tw0＝2℃計算駐點所需熱流密度水滴撞擊特性計算可採用拉格朗日法和歐拉法，可利用FLUENT的DPM模型和用戶自定義函數來實現，用UDF程序算出壁面熱流密度。
3)根據初步結構及參數影響規律分析進行結構設計。本步驟在初步設計基礎上研究各個結構參數對防冰效果的影響後，得出了一定供氣範圍內的防冰效果較好的結構參數，作為本步驟的初值。具體步驟參見圖3。
4)確定駐點區和氣膜縫後區域的供氣需求，即供氣溫度-流量關係。對於各個分區，給定引氣流量確定需求的熱氣溫度Th。得出曲線，即給定供氣流量時達到防冰要求所需求的最低供氣溫度。確定供氣參數的方法有兩種，一是根據計算提取出可以利用的經驗公式，將經驗公式應用於劃分的不同研究區域從而得出需求的供氣參數；二是直接通過大量的計算，通過防冰要求得出需求的供氣參數。其中，駐點區主要考慮衝擊換熱的作用，氣膜縫後區域主要考慮氣膜加熱的作用。例如，通過研究發現，對於整流支板等翼型類結構，前緣壁面較厚，而水滴撞擊區域較小，分區研究發現前緣的導熱問題是防冰研究的關鍵，因此要注意提高衝擊換熱效果；而對於帽罩等旋成體結構，壁面較薄但水滴撞擊範圍很大，分區研究發現中後部壁面的水滴撞擊區域的溫度提升是防冰研究的關鍵，因此要注意提高氣膜的作用效果，一方面增強氣膜對表面的加熱作用，一方面增強氣膜對水滴的吹拂作用。
5)得出整體需求供氣參數。取步驟4)兩個區域供氣區間的交集，並考慮材料的耐溫限制Tmax，及最大最小引氣流量和得出供氣範圍。
6)判斷供氣參數能否滿足實際條件，若不滿足，則返回重新進行結構設計。若滿足實際條件，則繼續下一步。
7)確定防冰結構和相應的供氣參數，指導實驗並提供參考。
本發明可以有以下不同實施例：
衝擊-熱氣膜複合式防冰結構也可配合微小通道貼壁流動形式。
壁面材料除了全複合材料，也可為全金屬材料、金屬前緣的複合材料或氣膜縫前後不同材料的形式。
氣膜縫可以有單排縫、雙排縫、環形縫、離散孔等多種形式。
除了適用於支板等翼型類結構和帽罩等旋成體結構，也可適用於其他類似的衝擊-氣膜複合式防冰結構。
本發明對於發動機熱氣防冰結構設計具有重要的科學指導意義和良好的工程應用前景。