冲击‑热气膜复合式防冰结构设计方法与流程

本发明涉及一种基于冲击-热气膜防冰方法的航空发动机进气部件的结构设计方法，适用于航空发动机前缘部件防冰结构设计，属于航空发动机防冰领域。

背景技术：

航空发动机在结冰气象条件下会发生结冰现象，发动机前缘进气部件结冰对发动机的影响很大，会使发动机功率降低，严重时造成发动机损坏。目前我国国军标和适航规章均对涡扇发动机防冰提出了一定的设计要求。

防冰技术对发动机的安全具有重要意义。目前多采用的防冰方法为热气式，即从压气机引入热气，对需要防护的表面进行加热来防止结冰。复合材料具有强度高且质量轻的优点，在飞机发动机上已得到广泛的应用，鉴于复合材料导热系数较低，限制了热气防冰的传热效率，需要改进设计使得复合材料部件达到防冰要求。

新型航空发动机进气部件采用(支板、帽罩)全复合材料结构或金属前缘的复合材料结构。复合材料导热系数较小，为实现前缘及中后部待防护壁面的防冰要求，可采用高效的冲击-热气膜复合式热气防冰结构，即采用热气冲击部件前缘内部，采用气膜缝结构排气。冲击气体通过前缘壁面导热进行防冰，气膜缝排出气体对缝后壁面进行加热，同时可将撞击到中后部的水滴吹离壁面，具有一定的防冰效果。

一些学者对冲击-热气膜复合式防冰结构的流动换热特性和水滴撞击特性进行了探究。

李云单、陆海鹰(2011)等针对发动机冲击-气膜防冰结构进行了冲击换热研究，研究发现整流支板冲击换热结构的换热规律与单独冲击换热机构是一致的。Dong W、Zhu J(2015)等用数值模拟方法和试验研究了帽罩气膜加热的性能，气膜从帽罩前端排出，用拉格朗日法计算了水滴运动轨迹，耦合考虑了传质与传热对帽罩表面温度的影响。发现前端排出的气膜对水滴运动轨迹产生了一定的影响。(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.)

相关的发明专利和实用新型专利如下。

北京航空航天大学公开了一种飞机短舱前缘气膜式防冰结构，采用主动防御策略，通过外壁面的气膜孔引气能迅速在结冰表面形成高温气体的热覆盖，在防冰时效性方面具有很强的优势。通过在环形热气管前端开设出流孔，既可以减少热气体在环形热气管道内的压头损失，也可以对内壁面进行强有力的冲击换热，提高热利用率。(北京航空航天大学.一种飞机短舱前缘气膜式防冰结构.中国，发明，CN101962076A，2011.02.02)

沈阳发动机设计研究所公开了一种航空发动机进口整流帽罩的防冰传热结构，包括帽罩内壁前缘射流孔，帽罩内壁上周向均布的射流孔，防冰热气通道，帽罩尾端的通气孔；合理的利用了防冰热气的焓值，有效提高了防冰热气的使用效率，节约了防冰热气引气量，减少了防冰引气带来的代偿损失，有利于提高发动机总体性能。

因此，冲击-热气膜复合式防冰方法在防冰结构中应用日趋广泛，针对该结构的流动、换热特性研究也逐步展开。但是由于冲击-热气膜复合式防冰结构的复杂性，多数学者只是初步研究了特定结构下的流动换热特性或水滴撞击特性，鲜有从设计角度对该防冰结构的复杂流动换热规律进行全面的研究，同时也缺乏系统的防冰结构设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种冲击-热气膜复合式防冰结构设计方法，针对冲击-热气膜复合式热气防冰结构，采用划分区域分别研究再耦合的方式，利用经验公式法和批量计算法，对传统的研究方法进行了改进。

为了更高效的对冲击-热气膜复合式热气防冰结构进行防冰计算研究，本发明提出了一套冲击-热气膜复合式防冰结构设计方法和流程。对于冲击-热气膜复合式热气防冰结构，其不同区域有不同的流动换热特点，各个区域的防冰方式及研究方法也不同。将部件进行区域划分并分别针对性的研究，可有效提高研究效率。

该设计方法和流程从设计的角度综合考虑防冰部件各个区域的流场参数，在稳态换热情况下，给出了求取使得防冰部件待防护区域的表面温度达到防冰要求所需要的部件结构及相应的供气参数的方法和流程。

本发明的优点在于：

针对冲击-热气膜复合式热气防冰结构，分区域求解再合并的方式可以较好的利用成熟的冲击和气膜的流动传热特性规律，利用此方法巧妙地解决了冲击-气膜耦合流动传热结构复杂的问题。将结构设计作为流程中内嵌的一环，可以考虑各种结构参数及热气参数的影响规律，迭代得出满足防冰要求的防冰结构和相应的供气参数。

同时，分区研究的方法也使得其适用性更加广泛。例如对于整流支板等翼型类结构，前缘壁面较厚，而水滴撞击区域较小，分区研究发现前缘的导热问题是防冰研究的关键，因此要注意提高冲击换热效果；而对于帽罩等旋成体结构，壁面较薄但水滴撞击范围很大，分区研究发现中后部壁面的水滴撞击区域的温度提升是防冰研究的关键，因此要注意提高气膜的作用效果，一方面增强气膜对表面的加热作用，一方面增强气膜对水滴的吹拂作用。

附图说明

图1是研究区域划分示意图；

图2是部件结构设计流程图；

图3是结构设计流程图；

图中：

1.驻点区 2.气膜缝前区域 3.气膜缝后区域

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种冲击-热气膜复合式防冰结构设计方法，为方便描述方法和流程，在进行设计流程前，首先需要对冲击-热气膜复合式防冰结构的表面进行区域划分；并描述所划分各个区域的流动换热特点。如图1所示，按照受热气影响方式的区别，将冲击-气膜复合式防冰结构的表面分为三个区域，驻点区1，气膜缝前区域2，气膜缝后区域3，受各个区域位置及防冰方法的影响，三个区域的研究方法有所不同。

对于驻点区1，水滴撞击特性及冲击换热特性几乎不受气膜的作用，因此采用传统的由水滴撞击特性确定防冰热载荷，并根据基本冲击换热特性进行研究。对于气膜缝前区域2，由于其位置的特殊性，既受到冲击加热，气膜流出过程中又通过气膜缝壁进行导热，可使该区域温度明显提高，不是关注的重点。对于气膜缝后区域3，需要在水滴撞击极限的范围内，壁面温度达到防冰要求，可用气膜加热的方法研究。

针对气膜缝后区域3，进行防冰结构设计，区域划分完成的基础上，可应用本发明提出的设计流程，图2为本发明的部件结构设计流程图。按照确定设计条件、计算水滴撞击特性及防冰热载荷、结构设计、分区求解耦合得到供气需求、确定防冰结构和供气需求的流程展开防冰设计研究。其中箭头给出了研究步骤的方向，平行四边形框为输入输出参数。

该方法和流程具体步骤如下：

1)确定设计条件。根据适航规章和国军标确定防冰设计状态点，对流程输入设计条件，包括外流场主流温度T，主流速度u，液态水含量LWC，水滴直径d。

2)计算水滴撞击特性与防冰热载荷。对防冰部件的开缝及不开缝结构，研究水滴撞击特性规律，得到最大局部水收集系数β_max，水滴撞击极限S_L。根据局部水收集系数β的分布及外壁面防冰极限温度t_w0＝2℃计算驻点所需热流密度水滴撞击特性计算可采用拉格朗日法和欧拉法，可利用FLUENT的DPM模型和用户自定义函数来实现，用UDF程序算出壁面热流密度。

3)根据初步结构及参数影响规律分析进行结构设计。本步骤在初步设计基础上研究各个结构参数对防冰效果的影响后，得出了一定供气范围内的防冰效果较好的结构参数，作为本步骤的初值。如图3所示。结构设计分为初步设计和详细设计两个阶段。初步设计阶段，确定防冰方案(冲击-热气膜复合式防冰)与两种初步构型(通缝、离散孔)。详细设计阶段，首先通过二维计算进行特性研究，得到气膜加热特性及水滴撞击特性的一些规律，从而确定防冰方案的可行性及孔形优化的方式；接着通过三维计算的初步探索，确定结构的初步构型及基本的求解方法；最后通过三维数值模拟计算各结构参数的影响，确定各结构参数。在详细设计阶段的基础上，确定最终构型。

4)确定驻点区和气膜缝后区域的供气需求，即供气温度-流量关系。对于防冰结构表面上的各个分区(由于前述说明了区域2不是关注重点，因此这里指的是驻点区1区和气膜缝后区域3区)，给定引气流量确定需求的热气温度T_h。得出曲线，即给定供气流量时达到防冰要求所需求的最低供气温度。确定供气参数的方法有两种，一是根据计算提取出可以利用的经验公式，将经验公式应用于划分的不同研究区域从而得出需求的供气参数；二是直接通过大量的计算，通过防冰要求得出需求的供气参数。其中，驻点区主要考虑冲击换热的作用，气膜缝后区域主要考虑气膜加热的作用。例如，通过研究发现，对于整流支板等翼型类结构，前缘壁面较厚，而水滴撞击区域较小，分区研究发现前缘的导热问题是防冰研究的关键，因此要注意提高冲击换热效果；而对于帽罩等旋成体结构，壁面较薄但水滴撞击范围很大，分区研究发现中后部壁面的水滴撞击区域的温度提升是防冰研究的关键，因此要注意提高气膜的作用效果，一方面增强气膜对表面的加热作用，一方面增强气膜对水滴的吹拂作用。

5)得出整体需求供气参数。取步骤4)驻点区和气膜缝后区域两个区域供气区间的交集，并考虑材料的耐温限制T_max，及最大最小引气流量和得出供气范围。

6)判断供气参数能否满足实际条件，若不在实验可提供的引气流量、温度或材料耐温限制内，则返回重新进行结构设计。若满足实际条件，则继续下一步。

7)确定防冰结构和相应的供气参数，指导实验并提供参考。防冰结构包括该冲击-热气膜复合式防冰结构的开缝方式、相对冲击距、气膜缝宽度、气膜缝位置等。供气参数包括热气质量流量、热气温度、热气压力等。

本发明的防冰部件结构设计方法和流程与传统方法的区别在于：1)研究对象不同，本发明针对的是冲击-热气膜复合式热气防冰结构，而传统方法针对的通常为连续表面的防冰结构；2)研究方式不同，本发明采用划分区域、分别研究再耦合的方式，不同于传统方法整体研究的方式；3)研究方法不同，本发明采用经验公式法或批量计算法；4)研究流程不同，本发明把结构设计作为内嵌的一个重要步骤，可实现迭代研究。

具体实施例：

为研究方便，对于一个冲击-气膜复合式防冰结构，根据其气膜缝的位置将结构分为三个区域：1驻点区，2气膜缝前区域，3气膜缝后区域，见图1。受各个区域位置及防冰方法的影响，三个区域的研究方法有所不同：对于1区，水滴撞击特性及冲击换热特性几乎不受气膜的作用，因此可用传统的由水滴撞击特性确定防冰热载荷，并根据基本冲击换热特性进行研究。对于2区，由于其位置的特殊性，既受到冲击加热，气膜流出过程中又通过气膜缝壁进行导热，可使该区域温度明显提高，不是关注的重点。对于3区，需要在水滴撞击极限的范围内，壁面温度达到防冰要求，可用气膜加热的方法研究。

图2为本发明的部件结构设计流程图。按照确定设计条件、计算水滴撞击特性及防冰热载荷、结构设计、分区求解耦合得到供气需求、确定防冰结构和供气需求的流程展开防冰设计研究。每个步骤的具体实施方法如下：

该方法和流程具体步骤如下：

1)确定设计条件。根据适航规章和国军标的要求，来对流程输入设计条件，包括外流场主流温度T，主流速度u，液态水含量LWC，水滴直径d。

2)计算水滴撞击特性与防冰热载荷。对防冰部件的开缝及不开缝结构，研究水滴撞击特性规律，得到最大局部水收集系数β_max，水滴撞击极限S_L。根据局部水收集系数β的分布及外壁面温度防冰极限温度t_w0＝2℃计算驻点所需热流密度水滴撞击特性计算可采用拉格朗日法和欧拉法，可利用FLUENT的DPM模型和用户自定义函数来实现，用UDF程序算出壁面热流密度。

3)根据初步结构及参数影响规律分析进行结构设计。本步骤在初步设计基础上研究各个结构参数对防冰效果的影响后，得出了一定供气范围内的防冰效果较好的结构参数，作为本步骤的初值。具体步骤参见图3。

4)确定驻点区和气膜缝后区域的供气需求，即供气温度-流量关系。对于各个分区，给定引气流量确定需求的热气温度T_h。得出曲线，即给定供气流量时达到防冰要求所需求的最低供气温度。确定供气参数的方法有两种，一是根据计算提取出可以利用的经验公式，将经验公式应用于划分的不同研究区域从而得出需求的供气参数；二是直接通过大量的计算，通过防冰要求得出需求的供气参数。其中，驻点区主要考虑冲击换热的作用，气膜缝后区域主要考虑气膜加热的作用。例如，通过研究发现，对于整流支板等翼型类结构，前缘壁面较厚，而水滴撞击区域较小，分区研究发现前缘的导热问题是防冰研究的关键，因此要注意提高冲击换热效果；而对于帽罩等旋成体结构，壁面较薄但水滴撞击范围很大，分区研究发现中后部壁面的水滴撞击区域的温度提升是防冰研究的关键，因此要注意提高气膜的作用效果，一方面增强气膜对表面的加热作用，一方面增强气膜对水滴的吹拂作用。

5)得出整体需求供气参数。取步骤4)两个区域供气区间的交集，并考虑材料的耐温限制T_max，及最大最小引气流量和得出供气范围。

6)判断供气参数能否满足实际条件，若不满足，则返回重新进行结构设计。若满足实际条件，则继续下一步。

7)确定防冰结构和相应的供气参数，指导实验并提供参考。

本发明可以有以下不同实施例：

冲击-热气膜复合式防冰结构也可配合微小通道贴壁流动形式。

壁面材料除了全复合材料，也可为全金属材料、金属前缘的复合材料或气膜缝前后不同材料的形式。

气膜缝可以有单排缝、双排缝、环形缝、离散孔等多种形式。

除了适用于支板等翼型类结构和帽罩等旋成体结构，也可适用于其他类似的冲击-气膜复合式防冰结构。

本发明对于发动机热气防冰结构设计具有重要的科学指导意义和良好的工程应用前景。