某航空发动机短舱防冰腔流动与换热仿真

2024-03-16徐之太

科学技术创新 2024年6期

徐宁，徐之太，管宁*

（1.山东交通学院,山东济南；2.中交一公局电气化工程有限公司,北京）

引言

在长时间高空飞行中，飞机通过含有许多过冷液滴的云层中时，其中某些部件的前缘就会发生结冰现象。结冰现象出现在发动机唇口就会影响发动机工作而失控，进而影响到整架飞机的飞行安全。因此，发动机短舱防冰技术的研究已成为一个备受关注的热点问题。

张书晔等[1]以某无人机发动机进气道防冰系统为模型，针对双蒙皮防冰腔结构进行了仿真分析，计算了12 个状态下发动机进气道不采取防冰措施的结冰厚度最大可达0.31 mm。梁青森等[2]针对7 种不同结构的微引射热气除冰腔的引射性能进行了数值模拟，并进行结果对比。胡金源等[3]针对微引射式防冰腔结构参数对换热性能的影响，通过数值模拟，得出射流孔孔距和混合腔最佳长径比为8。于磊，张书晔[4]针对防冰腔的热变形问题，运用仿真分析不同工况的热变形情况，为防冰腔的热补偿设计提供数据支持。上述研究均可为微引射式防冰腔的结构优化提供参考。

基于上述分析可以发现当前对于发动机短舱防冰技术的研究仍较少，本文针对短舱防冰技术方案的优化问题，构建了微元化三维模型，采用数值模拟的方法，对不同引气速度和温度防冰问题展开研究。

1 计算模型和计算方法

防冰腔作为热气防冰系统的重要组成部分，其三维建模对于仿真模拟的真实性十分重要。考虑到防冰腔内防冰通道结构较为复杂，仿真所需网格量较大，因此根据防冰通道的周期性分布特点，截取三个防冰通道构建三维模型，进行简化分析，模型及尺寸如图1所示。

图1 防冰腔模型

根据所建立的三维模型，对微引射式防冰腔的外流场进行网格划分。图2 展示了外流场的网格划分情况。图3 为ICEM 生成体网格。

图3 ICEM 生成体网格

基于上述网格，本文采用数值模拟的方法对防冰腔内的流动和传热进行模拟，控制方程如式（1）-式（3）所示：

动量方程

式中：ρ是流体密度(g/m3)；u 是流体的速度矢量（m/s）t 是时间；p 是流体的压力；τ 是应力张量，包含的信息包括摩擦应力、涡旋粘滞应力等；g 是重力加速度。

能量方程

式中：e 是流体的内能密度(g/m3)，即单位质量流体的内能；u 是流体的速度矢量；q 是热通量向量密度。

物质方程

式中：∇ ∙( ρu)表示速度散度，即速度场内物质质量的净流出流量。

入口边界条件设定为只有外流场的外部冷气流，出口边界条件设定为仅有外流场的压力出口。蒙皮外表面设定成热流边界条件，对流换热系数设置为200 W/（m2·K）。将展向的壁面设置为绝热壁面。

2 结果与讨论

采用上文的模型及计算方法，本文对防冰腔表面对流换热系数以及压力分布展开了数值模拟，并对比分析了不同引气速度、来流温度下的防冰效果。

图4 给出了防冰腔外表面的对流换热系数分布，由图可以看出中段的对流换热系数最大，向两端逐渐递减，是由于喷口处的流速大，而两端流速较小引起的。

图4 防冰腔外表面对流换热系数分布

为了分析不同工况参数下的防冰性能，本文对比分析了不同引气速度和来流温度对防冰表面温度的影响。在引气气流为100 ℃，外部气温为-10 ℃工况下，图5 分别给出了引气速度为10 m/s、20 m/s、30 m/s 时的温度云图。通过计算可得到防冰表面最低温度分别为266.4 K、274.8 K、286.2 K。