考慮水膜效應(yīng)的防冰表面流動(dòng)換熱研究

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1、上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文考慮水膜效應(yīng)的防冰表面流動(dòng)換熱研究碩士研究生：鄭梅學(xué)號(hào)：1120209358導(dǎo)師：董威副教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：動(dòng)力工程所在單位：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院答辯日期：2015年1月授予學(xué)位單位：上海交通大學(xué)DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterStudyonFlowandHeatTransferofRunbackWateronAnti-IcingSurfaceCandidate：MeiZhengStudentID:1120209358Supervisor：AssociateP

2、rof.WeiDongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：January,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity摘要考慮水膜效應(yīng)的防冰表面流動(dòng)換熱研究摘要飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口部件結(jié)冰是影響飛行安全的重大隱患之一。通常認(rèn)為，結(jié)冰發(fā)生的原因是云層中含有溫度低于冰點(diǎn)的亞穩(wěn)態(tài)液態(tài)水，當(dāng)飛機(jī)穿越由這些過冷水滴組成的

3、云團(tuán)時(shí)，便會(huì)在迎風(fēng)部件表面發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。研究表明，飛機(jī)結(jié)冰會(huì)破壞飛機(jī)的氣動(dòng)外形，并影響其操縱性和穩(wěn)定性；嚴(yán)重的結(jié)冰可能造成機(jī)毀人亡的重大飛行事故。為了保證飛行安全，現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)都嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)部門頒布的結(jié)冰條件適航規(guī)定，采用防、除冰系統(tǒng)來保障結(jié)冰環(huán)境條件下的安全飛行。目前在大型商用飛機(jī)上，普遍采用熱氣防冰系統(tǒng)。熱氣防冰系統(tǒng)通常從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中引出帶有一定壓力的熱空氣，加熱需要防冰的部件，保證部件表面的溫度在冰點(diǎn)以上，從而避免撞擊到部件表面的過冷水滴在其表面發(fā)生凍結(jié)。對(duì)于不完全蒸發(fā)熱氣防冰系統(tǒng)，當(dāng)過冷水滴撞擊到熱氣防冰表面后，未完全蒸發(fā)的液態(tài)水在氣動(dòng)力作用下沿機(jī)翼表面向后流動(dòng)形成溢流水。溢

4、流水的流動(dòng)換熱特性對(duì)確定熱防冰系統(tǒng)的加熱區(qū)域和加熱功率具有重要的影響。因此，研究考慮水膜效應(yīng)的防冰表面流動(dòng)換熱現(xiàn)象具有十分重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文主要圍繞飛機(jī)防冰表面的水膜流動(dòng)換熱現(xiàn)象展開，對(duì)考慮水膜效應(yīng)的防冰表面流動(dòng)換熱機(jī)理進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：I摘要首先，本文對(duì)國內(nèi)外水膜流動(dòng)換熱研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧，介紹了研究所涉及的一些基本概念和基本研究方法。在此基礎(chǔ)上，以ANSYSFLUENT軟件作為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了空氣流場(chǎng)計(jì)算和水滴撞擊特性計(jì)算，為進(jìn)一步開展防冰表面的水膜流動(dòng)換熱研究創(chuàng)造了條件。其次，本文基于機(jī)翼表面水膜及空氣相互作用機(jī)理，建立了水膜與空氣的流動(dòng)換熱模型。防冰表面水膜

5、流動(dòng)換熱模型考慮了氣動(dòng)剪切力對(duì)水膜流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)、水膜表面的對(duì)流換熱和汽化潛熱，得到了溢流水膜及空氣邊界層流動(dòng)換熱的控制方程。通過與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)所提出的計(jì)算模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并為進(jìn)一步研究不同防冰狀態(tài)下的水膜流動(dòng)換熱過程奠定了基礎(chǔ)。再次，在防冰表面水膜流動(dòng)換熱模型的基礎(chǔ)上，提出了連續(xù)水膜破裂后溪流流動(dòng)的物理模型以及水膜破裂模型，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)翼型表面溪流流態(tài)分布的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了水膜破裂模型的有效性。最后，基于本文提出的二維水膜流動(dòng)換熱模型以及水膜破裂模型，研究了不同防冰條件對(duì)水膜流動(dòng)換熱、水膜破裂和溪流形態(tài)的影響。本文所提出的分析方法及結(jié)果在一定程度上對(duì)防冰系統(tǒng)的

6、設(shè)計(jì)可以提供參考和借鑒。由于水膜流動(dòng)現(xiàn)象涉及多學(xué)科的交叉，物理機(jī)理非常復(fù)雜，因此本文所建立的二維水膜流動(dòng)換熱模型及水膜破裂模型必定還有需要完善及擴(kuò)展之處。關(guān)鍵詞：飛機(jī)防冰、水膜流動(dòng)、水滴撞擊特性、水膜破裂、流動(dòng)換熱IIABSTRACTSTUDYONFLOWANDHEATTRANSFEROFRUNBACKWATERONANTI-ICINGSURFACEABSTRACTIceaccretiononaircraftandaero-engineusuallycausesmanyproblemsoftheflightsafety.Generally,thereasonoficeaccretionisth

7、atthesupercooledwaterdropletsinthecloudimpingeonaircraftsurfaces.Thesewaterdropletsinthecloudalwaysretainthemetastablestateandthetemperatureisbelowthefreezingpoint.Anumberofstudiesshowthat,iceaccretio