航空发动机旋转部件的结冰3-d数值模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，包括如下步骤：对该航空发动机旋转部件进行3-D空气动力学建模；输入该发动机旋转部件叶片的几何形状；利用商用软件对该旋转部件的叶片通道进行网格划分；利用N-S方程计算连续流场，进行水滴路径跟踪；求解水滴跟踪方程，并计算水收集效率；利用商用软件对冰形进行描述，得到冰生长过程的数值模拟，本发明采用数值模拟的方法，对发动机旋转部件的3-D(三维)结冰机理进行分析，给出技术实现途径，为建立航空发动机旋转部件结冰仿真分析平台提供理论依据和实践方法。
【专利说明】航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空【技术领域】，特别是涉及一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值 模拟方法。
【背景技术】
[0002] 对于航空发动机旋转部件结冰机理的研究，在国内尚无单位展开深入研究，见诸 文献唯有中国燃气涡轮研究院，王治国等人在论文《发动机旋转表面水滴撞击特性数值研 究》介绍了发动机旋转机械内部过冷水滴轨迹的三维数值计算方法，阐述了旋转坐标系下 气流及粒子的运动规律。并釆用ANSYS-CFX软件及其粒子输运模型，对某发动机风扇转子 叶片外围空气及水滴流场进行了数值模拟。利用水滴的速度矢量、撞击区域等参数表征水 滴的撞击特性，获得了转速、水滴直径等对风扇叶片表面水滴撞击特性的影响：水滴撞击区 域集中在风扇叶片迎风面叶盆侧，且水滴撞击区域随着转速的增加而减小；水滴在叶片表 面的撞击范围随着水滴直径的增大而减小。上述对发动机旋转部件的研究仅仅是某些特性 分析，建模过程中并未考虑关键因素的影响，如三维模型特定条件下，水滴收集效率定义的 特殊性，能量交换对冰生长过程的影响等等。
【发明内容】
[0003] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种航空发动机旋转 部件的结冰3-D数值模拟方法，其可以极大程度上推动国内对航空发动机结冰现象研究的 进展，降低航空事故的发生率。
[0004] 本发明之另一目的在于提供一种航空发动机旋转部件的结冰3_D数值模拟方法， 其对3-D流场动力学方程求解过程进行优化处理，提高了模型的实用性。
[0005] 本发明之再一目的在于提供一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法， 其考虑能量交换的影响，并将其方程将加入水滴粒子在流场中运动轨迹计算，并给出湍流 的随机模型，提高了计算的精确度。
[0006] 本发明之又一目的在于提供一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法， 其提供了旋转部件水滴收集效率的计算方法。
[0007]为达上述及其它目的，本发明提出一种航空发动机旋转部件的结冰3_D数值模拟 方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤一，对该航空发动机旋转部件进行进行3-D空气动力学建模；
[0009] 步骤二,输入该发动机旋转部件叶片的几何形状；
[0010] 步骤三，利用商用软件对该旋转部件的叶片通道进行网格划分；
[0011] 步骤四，利用N-S方程计算连续流场，进行水滴路径跟踪；
[0012] 步骤五，求解水滴跟踪方程，确定水滴的路径，并计算水收集效率；
[0013] 步骤六，利用商用软件对冰形进行描述，得到冰生长过程的数值模拟。
[0014] 进一步地，于步骤一中，考虑该发动机旋转部件的旋转特性，根据旋转圆柱3-D坐 标系，建立控制方程，并在此基础上推导动量方程和能量方程，该动量方程中的雷诺应为J页 必须包含湍流应力，根据博欣内斯克近似，湍流封闭、湍流粘滞性的平均应变率与湍流应力 有关，从而得到雷诺应力项与湍流动能的关系。
[0015] 进一步地，于步骤四中，水滴路径的跟踪是建立在能量交换模型和空气动力学模 型相互作用基础上的。
[0016] 进一步地，步骤四进一步包括如下步骤：
[0017] 利用传统的分析方法，分析阻力、升力对水滴运动的作用，包括雷诺数、马赫数、克 努森数，分析流场条件，该流场条件包括湍流、表面粗糙度、速度梯度、边界层厚度、压为梯 度；
[0018] 建立热交换模型，计算任一时刻的水滴温度；
[0019] 建立水滴的动力模型，其所遵循的准则是粒子所受外力平衡；
[0020] 根据两个模型的相互作用对水滴路径产生的影响，实现水滴路径跟踪。
[0021] 进一步地，步骤四还包括建立随机的CRW模型，该模型利用平均动能和流场耗散 来创建涡流波动，定量地分析湍流对水滴路径的影响的步骤。
[0022] 进一步地，该热交换模型的热交换方程为：
[0023]
【权利要求】
1. 一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，包括如下步骤： 步骤一，对该航空发动机旋转部件进行进行3-D空气动力学建模； 步骤二，输入该发动机旋转部件叶片的几何形状； 步骤三，利用商用软件对该旋转部件的叶片通道进行网格划分； 步骤四，利用N-S方程计算连续流场，进行水滴路径跟踪； 步骤五，求解水滴跟踪方程，确定水滴的路径，并计算水收集效率； 步骤六，利用商用软件对冰形进行描述，得到冰生长过程的数值模拟。
2. 如权利要求1所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于：于步骤一中，考虑该发动机旋转部件的旋转特性，根据旋转圆柱3-D坐标系，建立控制 方程，并在此基础上推导动量方程和能量方程，该动量方程中的雷诺应力项必须包含湍流 应力，根据博欣内斯克近似，湍流封闭、湍流粘滞性的平均应变率与湍流应力有关，从而得 到雷诺应力项与湍流动能的关系。
3. 如权利要求2所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于：于步骤四中，水滴路径的跟踪是建立在能量交换模型和空气动力学模型相互作用基础 上的。
4. 如权利要求3所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于，步骤四进一步包括如下步骤： 利用传统的分析方法，分析阻力、升力对水滴运动的作用，包括雷诺数、马赫数、克努森 数，分析流场条件，该流场条件包括湍流、表面粗糙度、速度梯度、边界层厚度、压力梯度； 建立热交换模型，计算任一时刻的水滴温度； 建立水滴的动力模型，其所遵循的准则是粒子所受外力平衡； 根据两个模型的相互作用对水滴路径产生的影响，实现水滴路径跟踪。
5. 如权利要求4所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于：步骤四还包括建立随机的CRW模型，该模型利用平均动能和流场耗散来创建涡流波动， 定量地分析湍流对水滴路径的影响的步骤。
6. 如权利要求5所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于，该热交换模型的热交换方程为：
其中，mp是过冷水滴的质量，Cp是过冷水滴的比热，Tp是过冷水滴的温度，T g是气相温 度，Ap是水滴表面面积，h是水滴和气体之间的热交换系数。
7. 如权利要求6所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于：该动力模型的动力方程为：
其中，Zp，rp，θ p表示在圆柱坐标系下水滴的坐标位置，匕，Fz，Fe分别为水滴所受的力 在径向、轴向、方位角坐标上的分量，ω表示发动机旋转叶片的旋转角速度，t表示时间。
8. 如权利要求7所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于：于步骤五中，从面积的比值入手，分析旋转叶片通道水滴轨迹，寻求叶片表面水滴收集 量和水滴撞击总量之间的关系，精确旋转部件3-D水收集效率的计算方法。
9. 如权利要求8所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于，该水收集效率为旋转叶片表面水滴的质量与吸入发动机通道总的水滴质量之比，该水 收集效率为：
其中，假设随机网格面积S Ap其表面总的水滴数目为％，则该面积上水滴总质量为
Mp是每个水滴的质量，假设吸入一个叶片的水滴数量是N p，叶片的数量是 Nb，且颗粒的尺寸均匀，则入口通道总质量为
10. 如权利要求1所述的一种航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法，其特征在 于，该N-S方程为：
其中，P是流体的密度，v是流体的运动粘性系数，&是质量力强度，Ui表示速度在X 轴上的分量，P表示压力。
【文档编号】G06F19/00GK104298886SQ201410559137
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】胡秀娟, 计春雷, 黎明 申请人:上海电机学院