飛機短艙防冰表面對流換熱系數(shù)的校核

徐佳佳

【摘 要】發(fā)動機短艙防冰系統(tǒng)設(shè)計過程中，通常使用計算模擬的方式獲得短艙防冰表面的熱載荷，根據(jù)熱載荷需求設(shè)置合理的供氣流量以保證短艙防冰表面不產(chǎn)生不利于發(fā)動機運轉(zhuǎn)的冰積聚。而影響防冰熱載荷計算的關(guān)鍵因素是防冰表面的對流換熱系數(shù)。為了獲得準確的對流換熱系數(shù)，本文在低速吹風試驗中測量了不同工況下風擋表面對流換熱系數(shù)，并利用CFD方法建立了一個仿真風洞模型，計算試驗工況下的風擋表面對流換熱系數(shù)，通過測量值來校核CFD的計算值，獲得一個修正方法。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；短艙防冰；對流換熱系數(shù)；修正

0 引言

由于高空云層中過冷水滴的存在，飛機穿過云層時，風擋表面可能會產(chǎn)生結(jié)冰，影響飛行員的視界，進而危及飛行安全[1]。根據(jù)CCAR25.1419（a）條款要求[2]，如果申請帶有防冰設(shè)施的合格審定，飛機必須能在附錄C確定的連續(xù)和間斷最大結(jié)冰狀態(tài)下安全運行。為確認這一點，必須通過分析確認，飛機在各種運行形態(tài)下其各種部件的防冰是足夠的。

發(fā)動機短艙防冰系統(tǒng)設(shè)計過程中，通常使用計算模擬的方式獲得短艙防冰表面的熱載荷，根據(jù)熱載荷需求設(shè)置合理的供氣流量以保證短艙防冰表面不產(chǎn)生不利于發(fā)動機運轉(zhuǎn)的冰積聚。表面的對流換熱是影響防冰熱載荷的主要因素。

本文采用低速吹風試驗，在不同工況下測量唇口表面對流換熱系數(shù)，同時利用CDF方法對試驗工況建模計算對流換熱系數(shù)，并對兩種方式得到的局部對流換熱系數(shù)值進行比較分析，確定一種可靠的計算值修正方法。

1 低速風洞試驗

短艙防冰腔截面形狀與二維翼型類似，因此采用簡化的二維翼型作為對流換熱系數(shù)測量試驗件。試驗件加工選用長度440mm，寬度300mm，厚度1mm的鋁合金，材料物性參數(shù)與短艙進氣道蒙皮相近，試驗件見圖1。在試驗件上、下截面的內(nèi)表面共布置19個測溫熱電偶。

對流換熱系數(shù)為每個測溫點的局部對流換熱系數(shù)，可由以下公式計算得到：

h=Q/（Ts-T）（1）

式中Ts為風擋表面溫度，T為來流溫度，Q為加熱熱流密度。

加熱熱流密度可由調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓變壓器的電壓來確定：

Q=U2/（R·A）（2）

其中U為加熱電壓，R為電阻，A為加熱膜面積。

試驗吹風裝置采用單進風高壓離心風機外接經(jīng)過整流處理的風道，然后吹襲到試驗件表面，風速設(shè)置分別為30m/s和40m/s。

2 數(shù)值模擬

對于上述試驗工況，采用防冰性能計算過程中一致的CFD方法建立計算模型，分別對2 組不同風速的試驗工況進行CFD 計算，計算模型見圖2。

對流換熱系數(shù)的試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比情況見圖3。

從短艙防冰表面對流換熱系數(shù)的試驗值和計算值可以看出，隨著風速的增加對流換熱系數(shù)增大，計算值與試驗值的趨勢均較為合理，但在不同風速下計算值均較試驗值偏小，分析有以下原因：

a）計算采用的湍流模型為標準k-ε模型，其假定湍動粘度是各向同性的，在處理彎曲壁面流動時也存在一定偏差；

b）試驗時未考慮電加熱防冰的熱損失，假設(shè)電加熱功率全部轉(zhuǎn)化為對流換熱量，導(dǎo)致對流換熱系數(shù)值偏大。

為了消除此偏差對最終防冰熱載荷、表面平衡溫度計算結(jié)果的影響，在計算得到的對流換熱系數(shù)值的基礎(chǔ)上結(jié)合吹風試驗進行修正，并考慮以上兩項因素，對流換熱系數(shù)的修正系數(shù)定為1.2。

3 結(jié)論

本文以發(fā)動機防冰腔截面為研究對象，采用了低速吹風試驗和CFD方法分別唇口表面對流換熱系數(shù)的測量和計算。在不同的風速和加熱功率的條件下，兩種方法均獲得了較可靠的結(jié)果。并通過實驗值與計算值的比較與分析，確定了計算結(jié)果中對流換熱系數(shù)的修正方法。

【參考文獻】

[1]裘燮綱，韓鳳華.飛機防冰系統(tǒng)[M].航空專業(yè)教材編審組出版，1985.6.

[2]CCAR25-R3中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標準[S].中國：中國民用航空局，2001.

[責任編輯：朱麗娜]endprint