[发明专利]航空发动机旋转部件的结冰3-D数值模拟方法

权利要求书

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，m_p是过冷水滴的质量，C_p是过冷水滴的比热，T_p是过冷水滴的温度，T_g是气相温度，A_p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，Z_p，r_p，θ_p表示在圆柱坐标系下水滴的坐标位置，F_r，F_z，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。 

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δA_j，其表面总的水滴数目为N_j，则该面积上水滴总质量为M_p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N_b，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，ρ是流体的密度，v是流体的运动粘性系数，f_i是质量力强度，u_i表示速度在x轴上的分量，p表示压力。