飞机短舱防冰表面对流换热系数的校核

徐佳佳

【摘 要】发动机短舱防冰系统设计过程中，通常使用计算模拟的方式获得短舱防冰表面的热载荷，根据热载荷需求设置合理的供气流量以保证短舱防冰表面不产生不利于发动机运转的冰积聚。而影响防冰热载荷计算的关键因素是防冰表面的对流换热系数。为了获得准确的对流换热系数，本文在低速吹风试验中测量了不同工况下风挡表面对流换热系数，并利用CFD方法建立了一个仿真风洞模型，计算试验工况下的风挡表面对流换热系数，通过测量值来校核CFD的计算值，获得一个修正方法。

【关键词】民用飞机；短舱防冰；对流换热系数；修正

0 引言

由于高空云层中过冷水滴的存在，飞机穿过云层时，风挡表面可能会产生结冰，影响飞行员的视界，进而危及飞行安全[1]。根据CCAR25.1419（a）条款要求[2]，如果申请带有防冰设施的合格审定，飞机必须能在附录C确定的连续和间断最大结冰状态下安全运行。为确认这一点，必须通过分析确认，飞机在各种运行形态下其各种部件的防冰是足够的。

发动机短舱防冰系统设计过程中，通常使用计算模拟的方式获得短舱防冰表面的热载荷，根据热载荷需求设置合理的供气流量以保证短舱防冰表面不产生不利于发动机运转的冰积聚。表面的对流换热是影响防冰热载荷的主要因素。

本文采用低速吹风试验，在不同工况下测量唇口表面对流换热系数，同时利用CDF方法对试验工况建模计算对流换热系数，并对两种方式得到的局部对流换热系数值进行比较分析，确定一种可靠的计算值修正方法。

1 低速风洞试验

短舱防冰腔截面形状与二维翼型类似，因此采用简化的二维翼型作为对流换热系数测量试验件。试验件加工选用长度440mm，宽度300mm，厚度1mm的铝合金，材料物性参数与短舱进气道蒙皮相近，试验件见图1。在试验件上、下截面的内表面共布置19个测温热电偶。

对流换热系数为每个测温点的局部对流换热系数，可由以下公式计算得到：

h=Q/（Ts-T）（1）

式中Ts为风挡表面温度，T为来流温度，Q为加热热流密度。

加热热流密度可由调节自耦调压变压器的电压来确定：

Q=U2/（R·A）（2）

其中U为加热电压，R为电阻，A为加热膜面积。

试验吹风装置采用单进风高压离心风机外接经过整流处理的风道，然后吹袭到试验件表面，风速设置分别为30m/s和40m/s。

2 數值模拟

对于上述试验工况，采用防冰性能计算过程中一致的CFD方法建立计算模型，分别对2 组不同风速的试验工况进行CFD 计算，计算模型见图2。

对流换热系数的试验结果与计算结果对比情况见图3。

从短舱防冰表面对流换热系数的试验值和计算值可以看出，随着风速的增加对流换热系数增大，计算值与试验值的趋势均较为合理，但在不同风速下计算值均较试验值偏小，分析有以下原因：

a）计算采用的湍流模型为标准k-ε模型，其假定湍动粘度是各向同性的，在处理弯曲壁面流动时也存在一定偏差；

b）试验时未考虑电加热防冰的热损失，假设电加热功率全部转化为对流换热量，导致对流换热系数值偏大。

为了消除此偏差对最终防冰热载荷、表面平衡温度计算结果的影响，在计算得到的对流换热系数值的基础上结合吹风试验进行修正，并考虑以上两项因素，对流换热系数的修正系数定为1.2。

3 结论

本文以发动机防冰腔截面为研究对象，采用了低速吹风试验和CFD方法分别唇口表面对流换热系数的测量和计算。在不同的风速和加热功率的条件下，两种方法均获得了较可靠的结果。并通过实验值与计算值的比较与分析，确定了计算结果中对流换热系数的修正方法。

【参考文献】

[1]裘燮纲，韩凤华.飞机防冰系统[M].航空专业教材编审组出版，1985.6.

[2]CCAR25-R3中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[S].中国：中国民用航空局，2001.

[责任编辑：朱丽娜]endprint