考虑水膜流动传热的部件电加热三维防冰数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了考虑水膜流动传热的部件电加热三维防冰数值模拟方法，包括如下步骤：对部件进行三维防冰两相流建模；利用商业软件对该部件的防冰两相流计算域进行网格划分；求解雷诺平均N

【技术实现步骤摘要】
考虑水膜流动传热的部件电加热三维防冰数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及电加热防冰
，具体涉及考虑水膜流动传热的部件电加热三维防冰数值模拟方法。

技术介绍

[0002]在航空领域，结冰是可能遇到的最严重的危险之一。机翼或发动机等部件结冰可能会导致飞机的机动性和可控性丧失，严重威胁飞行安全，并且由此引发的飞行事故经常发生。美国NASA科学与技术研究项目提供的研究报告显示，有人员伤亡的飞行事故中，与结冰相关的占总事故的比率高达16.2％，这一数值是最高的。
[0003]电加热防冰方法是现代飞机最广泛使用的防冰方法，该方法具有较高的效率、可控性和安全性。对于部件电加热防冰的研究，国内大多是针对二维模型展开研究，对于电加热过程中部件表面的三维水膜流动的研究较少，国外开发的三维防冰软件FENSAP
‑
ICE建立的水膜流动的动量方程只是shallow water模型中考虑气流曳力影响的简单积分方程。国内外没有通过将水膜流动传热与相变计算得到的能量项作为防冰表面的热源项模拟电加热防冰过程的计算方法。

技术实现思路

[0004]基于以上问题，本专利技术提供一种考虑水膜流动传热的部件电加热三维防冰数值模拟方法，实现部件防冰过程的准确、高效模拟；为三维电加热防冰的工程分析奠定重要的基础。
[0005]为解决以上问题，本专利技术提供了考虑水膜流动传热的部件电加热三维防冰数值模拟方法，包括如下步骤：
[0006]S1：根据部件的几何参数建立部件防冰两相流计算的计算域。/>[0007]S2：采用商业软件对计算域进行网格划分。
[0008]S3：获取流场工况(来流空气和过冷水滴的速度、温度、液态水含量、过冷水滴的直径、湍流强度等)及电加热功率，通过雷诺平均Navier
–
Stokes方程(RANS)计算空气流场，获得流场解，计算公式如下：
[0009][0010][0011][0012][0013]其中ρ
a
是空气的密度；t是时间，u
i
是速度分量；i和j分别取1，2，3，表示x，y，z三个坐标；p是流体微元上受到的压力；μ
a
是空气的动力粘度；k是湍动能；μ
t
是湍流粘度；E表示总能量；k
eff
是有效导热系数；T为温度；(τ
ij
)
eff
是偏应力张量；S
h
表示内热源。
[0014]计算部件固体内部的导热，得到空气流动换热下的部件电加热表面的温度，固体导热计算公式为：
[0015][0016]其中h表示固体的焓；λ
s
表示固体的导热系数；为由于固体旋转或平移运动传输的热量。
[0017]S4：基于S3的计算结果，根据流场工况及部件的几何外形，计算过冷水滴的运动速度计算公式如下：
[0018][0019][0020][0021][0022]其中ρ
w
为过冷水滴的密度；α
w
为过冷水滴的体积分数；u
a1
,u
a2
,u
a3
为空气速度在三个坐标下的分量；u
d1
,u
d2
,u
d3
为水滴速度在三个坐标下的分量；g1，g2，g3为重力加速度在三个坐标下的分量；为空气和过冷水滴之间的动量交换系数；d是水滴的直径；是阻力系数；是拖拽力系数；是相对雷诺数。
[0023]根据过冷水滴轨迹的计算结果可以计算得到部件表面的局部水收集系数β为：
[0024][0025]其中u
d,normal
是水滴撞击到壁面的法向速度；u
d,∞
是过冷水滴的来流速度；LWC是液态水含量。
[0026]S5：根据S4的计算结果，进行部件表面的水膜流动、传热与相变计算，通过求解部件防冰表面水膜流动的连续方程、动量方程和能量方程，得到部件表面的水膜厚度H
w
、流动速度结冰高度H
i
、过冷水滴撞击撞击到部件表面带来的能量表面水膜蒸发所带走的能量以及表面水膜结冰放出的热量当前水膜流动的连续方程计算公式为：
[0027][0028][0029][0030]其中n表示时间步；表示部件表面微元控制体各个单元面上流出的水膜质量之和；U
∞
为来流速度；h表示表面对流换热系数；ρ
a
为空气的密度；c
p,a
表示空气的定压比热容；Sc是施密特数；M
w
是水的分子量；R表示摩尔气体常数；p
wall
，T
wall
分别是控制体表面的饱和蒸汽压力和温度；p
∞
，T
∞
分别是附面层外的饱和蒸汽压力和温度。
[0031]水膜流动的动量方程计算公式为：
[0032][0033]其中为水膜的压力梯度；为水膜流动速度矢量；z坐标轴正方向为垂直于壁面向外的法向方向；为水膜上下表面的边界条件；为部件表面剪切力矢量。
[0034]根据水膜流动的动量方程和水膜上下表面的边界条件，水膜流动的速度的计算公式为：
[0035]为；
[0036]根据水膜流动的能量方程，结冰量的计算公式为：
[0037][0038][0039][0040][0041]其中为电加热提供的热量；L
f
为结冰潜热；L
e
为水的蒸发潜热；T
w
为水膜的温
度；T
d
为撞击到部件表面的过冷水滴温度；u
d
为过冷水滴的速度；T
a
为来流空气的温度。
[0042]部件表面结冰高度H
i
的计算公式为：
[0043][0044]其中为部件表面原有的冰厚，初始时，为0。
[0045]部件表面水膜厚度H
w
的计算公式为：
[0046][0047]其中为部件表面原有的水膜厚度，初始时，为0。
[0048]S6：根据S5的计算结果，将S5计算得到的能量项作为部件防冰表面的热源项，进行部件外部空气流场、内部电加热和固体导热的耦合计算，得到部件防冰表面的温度分布。
[0049]进一步地，当不考虑过冷水滴撞击及部件表面水膜蒸发和相变导致的能量变化时，就不存在和这三项，通过商业软件直接进行部件外部空气、内部电加热和固体导热的耦合计算，得到步骤S3中空气流动换热下的部件表面的温度。将水膜流动传热与相变计算得到的能量项作为部件防冰表面的热源项，再次进行部件外部空气、内部电加热和固体导热的耦合计算，得到步骤S6中部件防冰表面考虑过冷水滴撞击及表面水膜蒸发和相变的温度分布。
[0050]与现有技术相比，本专利技术的有益成果为：将复杂的电加热防冰过程分成四个模块进行求解：部件外部空气流场计算、过冷水滴流动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑水膜流动传热的部件电加热三维防冰数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据部件的几何参数建立部件防冰两相流计算的计算域；S2：采用商业软件对计算域进行网格划分；S3：获取流场工况(来流空气和过冷水滴的速度、温度、液态水含量、过冷水滴的直径、湍流强度等)及电加热功率，通过雷诺平均Navier
–
Stokes方程(RANS)计算空气流场，获得流场解，计算公式如下：流场解，计算公式如下：流场解，计算公式如下：流场解，计算公式如下：其中ρ
a
是空气的密度；t是时间，u
i
是速度分量；i和j分别取1，2，3，表示x，y，z三个坐标；p是流体微元上受到的压力；μ
a
是空气的动力粘度；k是湍动能；μ
t
是湍流粘度；E表示总能量；k
eff
是有效导热系数；T为温度；(τ
ij
)
eff
是偏应力张量；S
h
表示内热源；计算部件固体内部的导热，得到空气流动换热下的部件电加热表面的温度，固体导热计算公式为：其中h表示固体的焓；λ
s
表示固体的导热系数；为由于固体旋转或平移运动传输的热量；S4：基于S3的计算结果，根据流场工况及部件的几何外形，计算过冷水滴的运动速度计算公式如下：计算公式如下：计算公式如下：计算公式如下：其中ρ
w
为过冷水滴的密度；α
w
为过冷水滴的体积分数；u
a1
,u
a2
,u
a3
为空气速度在三个
坐标下的分量；u
d1
,u
d2
,u
d3
为水滴速度在三个坐标下的分量；g1，g2，g3为重力加速度在三个坐标下的分量；为空气和过冷水滴之间的动量交换系数；d是水滴的直径；是阻力系数；是拖拽力系数；是相对雷诺数；根据过冷水滴轨迹的计算结果可以计算得到部件表面的局部水收集系数β为其中u
d,normal
是水滴撞击到壁面的法向速度；u
d,∞
是过冷水滴的来流速度；LWC是液态水含量；S5：根据S4的计算结果，进行部件表面的水膜流动、传热与相变计算，通过求解部件防冰表面水膜流动的连续方程、动量方程和能量方程，得到部件表面的水膜厚度H
w
、流动速度结冰高度H

【专利技术属性】
技术研发人员：李世明，刘蕾，陈宁立，李中汇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：