[发明专利]发动机旋转叶片冰生长过程分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空技术领域，特别是涉及一种发动机旋转叶片冰生长过程分析方法。

背景技术

当飞机进入含有水滴、冰晶及雪花的大气层时，飞机的机翼、发动机的零部件、雷达、挡风玻璃等部件会产生结冰现象，使机翼的升力下降，飞行员视线的清晰度降低，发动机工作不稳定等，直接影响了飞机的飞行性能，而由此带来的飞行事故屡有发生，造成了巨大的经济损失。尤其对于发动机，当水滴被吸入发动机，将致使发动机结冰，轻者造成发动机输出功率降低，重者表面积冰脱落时会损伤发动机，造成机毁人亡。

根据我国适航条款，在中国民用航空规章第25部附件C规定的连续最大或间断最大结冰状态下，发动机在其整个飞行功率范围(包括慢车)内的工作中，发动机部件上不应出现影响发动机工作或引起功率或推力严重损失的结冰情况。

国内外都在开展对发动机冰生长现象的研究，但国内的研究仍停留在对发动机进口部分结冰现象的静态研究阶段，对旋转部件结冰的研究缺乏理论和实践上的支撑。由于发动机部件的旋转运动，旋转部件的流场自身带有显著的径向变化，这是其固有的三维特性，也使其流场动力学方程不同于静止部件的动力学方程。例如，发动机内部的旋转叶片是发动机的重要旋转部件，旋转叶片通道内流场的特性，如通道涡流、端壁边界层涡流、十字槽流和机翼后缘航迹等特性参量，决定了水滴的运动路径。水滴的路径影响到结冰位置、结冰形状进而会影响到对冰脱落的分析结果。而通过对冰脱落的分析才可以消除因发动机结冰引起的发动机故障。

一般情况下，在计算静止部件水滴路径时，水滴在整个流场中的温度保持恒定，可以忽略连续相(气体)和离散相(液体)之间的热交换对流场的影响。但对于发动机叶片这类旋转部件，这种能量的交换很大程度上改变了水滴路径和水滴温度，故不能按照外表面或静止部件的方法来处理热交换。当发动机处于工作状态时，叶片转子的旋转运动影响到的不仅是流场和水滴运动路径，还有对旋转叶片表面水滴收集效率的影响，水滴收集效率会影响到结冰的形状。此时，如果根据传统的静止部件水滴收集效率的计算方法计算旋转部件的水滴收集效率，所得到的结果并不能有效地反映真实的动态值。显然，发动机旋转叶片及冰生长过程都是动态的，传统的静态的分析方法已不能满足实际需求，无法为冰形描述和发动机的脱冰研究提供有力的理论支撑以消除因结冰现象而引起的发动机故障。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种根据发动机旋转叶片的旋转特性，使分析结果更符合发动机工作实际情况，能为后续的发动机脱冰研究提供正确的理论支撑的发动机旋转叶片冰生长过程的分析方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发动机旋转叶片冰生长过程的分析方法，包括步骤：A、根据发动机旋转叶片的几何形状建立发动机旋转叶片的几何模型，对所述发动机旋转叶片进行网格划分，给定水滴的初始位置；B、根据所述步骤A进行发动机旋转叶片上水滴路径的跟踪计算，包括建立水滴在进入发动机旋转叶片通道后与空气流场的动力学模型和能量交换模型，得到水滴与发动机旋转叶片发生撞击的位置和水滴与发动机旋转叶片发生撞击时的水滴特性、水滴从所述发动机旋转叶片离开的位置和水滴从所述发动机旋转叶片离开时的水滴特性；所述水滴特性包括水滴的温度、速度、质量、所受的力、热交换系数；C、进行发动机旋转叶片上水滴收集效率的计算；D、结合所述步骤A、B、C进行结冰形状描述。

优选地，所述步骤B中建立所述动力学模型的坐标系采用旋转坐标系，其中x表示径向坐标，r表示轴向坐标，θ表示方位角坐标，所述动力学模型为：

其中x_p，r_p，θ_p表示在所述圆柱坐标系下水滴的坐标位置，F_r，F_x，F_θ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。

优选地，所述步骤B中，水滴在进入发动机旋转叶片通道后与空气流场的能量交换模型为

其中，m_p是水滴(与水滴的关系)的质量，C_p是水滴的比热，A_p是水滴表面面积，T_p(t)是水滴的温度，T_g(t)是气相温度，h(t)是水滴与空气气体之间的热交换系数，所述T_p(t)、T_g(t)、h(t)均为时间t的函数。