防冰支板气膜缝出流对水滴撞击特性的影响

刘 华，杨 军

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

防冰支板气膜缝出流对水滴撞击特性的影响

刘 华，杨 军

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

为研究防冰支板气膜缝出流对其表面水滴撞击特性的影响，利用Fluent软件的离散相模型，在不同气膜缝出流位置、出流角度、宽度及出流流量条件下对防冰支板表面水滴撞击特性进行了计算。结果表明：水滴撞击极限随气膜缝出流流量的增大而减小；水滴局部撞击效率受气膜缝出流位置的影响，并随出流角度、出流流量的增大而减小；水滴总撞击效率随气膜缝出流位置的前移、出流角度的增大和出流流量的增加而减小；气膜覆盖效果随气膜缝出流角度的减小、宽度的增大和出流流量的增加而更好。

航空发动机；防冰系统；防冰支板；水滴撞击特性；气膜缝出流

1 引言

飞机在温度较低、湿度较大的气象条件下飞行时，空气中的过冷水滴会撞击在发动机防冰部件上发生结冰现象。因此，研究防冰部件表面的水滴撞击特性对发动机运行安全具有重要意义。国外对水滴撞击特性的研究起步较早，计算方法也有较大的发展[1-3]，且已开发出多个计算软件[4-7]进行水滴撞击特性分析。国内也越来越重视水滴撞击特性的研究，计算方法从二维[8]发展到三维[9]，计算对象从机翼[10]、进气道[11]等静止件发展到旋转件[12]，水滴直径从常规尺寸扩展到多尺寸[13]和大尺寸[14]。

防冰支板中常利用热气气膜出流来强化换热和形成保护膜，出流的空气会改善防冰支板表面的水滴撞击特性，可有效提高发动机防冰系统性能[15]。本文在计算防冰支板流场的基础上，利用Fluent软件中的DPM模型对开有气膜缝的防冰支板表面的水滴撞击特性进行计算分析。通过改变防冰支板气膜缝的出流位置、出流角度、出流流量和宽度，来研究水滴撞击极限、总撞击效率、局部撞击效率的变化，以期为防冰支板结构优化和发动机防冰系统设计提供参考。

2 水滴撞击特性参数定义[16]

图1为支板表面水滴撞击示意图。图中，S ＝U、S ＝L分别代表叶型表面计自前缘驻点的上、下弧长，位于S ＝U和S ＝L以外的叶型表面不发生水滴撞击；Y ＝U、Y ＝L分别表示与叶型上、下表面相切的水滴轨迹在支板前方较远处与前缘驻点水滴轨迹的距离；dy0为微元上、下界限相对应的水滴起始轨迹距离；ds为微元弧长；dy为微元迎风宽度；B为支板迎风宽度。

2.1 撞击极限

水滴撞击到支板表面上的最远位置是确定支板结冰区域和防冰范围的重要依据。支板表面实际的水滴撞击极限S ＝m定义为，水滴与支板表面上、下两条相切轨迹所包围的表面弧长S(S=S ＝U+S ＝L)与支板迎风宽度之比：

2.2 总撞击效率

水滴撞击到支板表面上的多少对支板表面的积冰强度和防冰能耗有重要影响。总撞击效率E ＝m定义为，支板表面上实际的水滴撞击量与最大可能的水滴撞击量之比，可表示为：

2.3 局部撞击效率

支板表面各部分的水滴撞击量并不一致，因此需要对各计算微元ds分别进行计算。局部撞击效率β定义为，支板表面微元实际的水滴撞击量与最大可能的水滴撞击量之比，可表示为：

3 数值模型

3.1 计算模型

某型航空发动机防冰支板剖面结构如图2所示。前端有贯穿支板叶高，供热气流通的防冰腔，鳃区左右各开有一排气膜缝。气膜缝宽度为W，与x轴夹角为α，前缘驻点到气膜缝中心位置x方向距离为X，前缘驻点到最远迎风位置x方向距离为L。防冰支板为直叶片，径向参数变化较小可简化为二维结构计算。为准确模拟水滴运动轨迹，采用较密的结构化网格，并对流动变化剧烈的支板壁面网格加密(图3)。根据网格无关性计算结果，网格数选择为335 600。

3.2 控制方程

空气中液态水含量较少，其体积分数远小于空气的体积分数，因此可采用欧拉-拉格朗日方法计算。空气作为连续相在欧拉框架下求解N-S方程，水滴作为离散相在拉格朗日框架下求解水滴轨迹方程。假定水滴在碰撞前不破裂、不分解，物性参数不变。在空气流场运动时，水滴轨迹可通过当地空气作用在水滴上的各种平衡作用力来计算获得。悬浮在运动空气中的水滴，其重力、表观质量力等与粘性阻力相比可忽略，其体积对空气流场的影响也可忽略。水滴运动方程可表示为：

式中：u为空气速度，u ＝w为水滴速度，μ为空气动力粘度，ρw为水滴密度，d ＝w为水滴直径，Re为水滴相对于空气运动的雷诺数，C ＝D为拽力系数。

3.3 边界条件

计算域入口给定速度进口边界，气膜缝入口均给定质量进口边界，计算域出口给定压力出口边界。来流速度53 m/s，来流温度268.15 K。计算域上下边界定义为对称边界。支板壁面和气膜缝壁面定义为无滑移绝热固壁，水滴轨迹计算时定义为es⁃cape边界条件。水滴平均有效直径为20 μm，随空气流动，速度与气流相同，碰到支板表面终止轨迹计算。

空气流场为定常、不可压缩、粘性流动。采用RNG k-ε湍流模型，分离隐式稳态求解器。使用非耦合计算法计算水滴轨迹，忽略水滴对空气流场的影响。

4 计算结果及分析

4.1 气膜缝出流位置对水滴撞击特性的影响

防冰支板表面水滴可撞击范围为驻点和支板最大厚度之间的表面区域，在此区域内设置气膜缝出流对水滴撞击特性的影响进行研究。图4给出了气膜缝宽0.5 mm、出流角度80°、出流流量1.33%(与进口流量之比)时，防冰支板不同气膜缝出流位置的水滴局部撞击效率沿支板驻点开始的表面弧长（SL）的分布。可见：当气膜缝出流位置X/L≤0.52时，气膜缝出流不仅降低了下游的水滴局部撞击效率，而且还会使上游的水滴局部撞击效率变低；X/L≥0.64时，气膜缝出流对水滴局部撞击效率的影响较小，其水滴局部撞击效率分布曲线几乎与没有气膜缝出流的水滴局部撞击效率分布曲线重合。气膜缝出流能降低下游的水滴局部撞击效率，主要是因为气膜缝出流改变了支板表面原来的空气流场(图5)，使主流道气流偏离支板，带动主流道空气中的水滴偏转。水滴质量远大于空气质量，惯性较大，不能完全绕过出流空气，所以气膜缝出流下游支板表面仍有水滴撞击。

图6给出防冰支板表面水滴总撞击效率和表面水滴撞击极限随气膜缝出流位置的变化。从图6 (a)可看出，在前缘区的气膜缝出流可大幅降低支板表面水滴的总撞击效率，且随着气膜缝出流位置的前移支板表面水滴的总撞击效率逐渐减小；当气膜缝出流位置靠近水滴撞击理论极限(X/L≥0.70)，水滴的总撞击效率几乎不再变化。这是由于支板表面的水滴局部撞击效率从驻点到水滴撞击极限逐渐降低，在前缘开气膜缝，出流位置是水滴撞击密集区，影响的水滴数目更多，且出流影响的下游范围更大，涉及到的水滴数目就更多。从气膜覆盖效果看(图7)，气膜缝出流位置靠前，在水滴撞击密集区形成的高温气膜覆盖范围更广。从图6(b)可看出，不同气膜缝出流位置的水滴撞击极限相差不大，可认为气膜缝出流位置对结冰区域和防冰范围影响较小。

4.2 气膜缝出流角度对水滴撞击特性的影响

为避免主流道异物随气流进入气膜缝，气膜缝出流角度通常向后，即出流角度一般不超过90°。图8给出了气膜缝出流位置X/L=0.45、气膜缝宽度0.5 mm、出流流量1.33%时不同出流角度下防冰支板表面水滴撞击特性的计算结果。可看出：支板水滴总撞击效率在出流角度小于55°时随出流角度的增加变化较小，在出流角度大于55°时随出流角度的增加逐渐减小。即气膜缝出流角度大于55°可减小支板表面的水滴总撞击效率，且出流角度越大水滴总撞击效率减小越明显。水滴撞击极限随着气膜缝出流角度的增加振荡下降，但下降幅度较小。水滴局部撞击效率随着气膜缝出流角度的增加而减小，但减小幅度较小。

从图9中气膜缝出口附近的速度矢量图可以看出，气膜缝出流在主流作用下流动方向向后倾斜，出流角度越大出流后倾趋势越弱，气膜附壁性越差，对主流道的影响越大。从图10中温度场云图可以看出，气膜缝出流在壁面形成一层热气膜，并影响壁面垂直高度上的温度分布；随着与主流的掺混，热气膜作用效果随流动距离的增大而减弱。出流角度越大，与主流掺混速度越快，热气膜覆盖距离越短。这表明增大气膜缝出流角度会降低气膜覆盖效果。

4.3 气膜缝宽度对水滴撞击特性的影响

图11给出了防冰支板气膜缝出流位置X/L= 0.45、出流角度45°、出流流量1.33%时，不同气膜缝宽度的水滴撞击特性计算结果。可看出，气膜缝宽度对防冰支板水滴总撞击效率和局部撞击效率的影响较小，不同气膜缝宽度下总撞击效率和局部撞击效率几乎一样；随着气膜缝宽度的增加，防冰支板水滴撞击极限略有增加，但增幅较小。从气膜缝出口附近的速度矢量图(图12)可看出，气膜缝宽度增加，出口速度降低，对主流道的影响减小，出流紧贴支板壁面，与主流掺混速度减弱，气膜覆盖效果更好(图13)。

4.4 气膜缝流量对水滴撞击特性的影响

图14给出了防冰支板气膜缝出流位置X/L= 0.45、气膜缝宽度0.5 mm、出流角度50°时，不同气膜缝出流流量的水滴撞击特性计算结果。可看出：随着气膜缝出流流量的增加，防冰支板水滴撞击极限和总撞击效率逐渐减小；水滴局部撞击效率在气膜缝后逐渐降低，在气膜缝前不变。从图15、图16中不同气膜缝流量的速度矢量图和温度场云图可看出，防冰支板气膜缝出流流量增加，出口速度增大，对主流道的影响增大，但影响壁面垂直高度的范围不到1 mm；热气流的动能增大，附壁性更好，形成的气膜厚度增加，覆盖的距离更远。

5 结论

(1)气膜缝出流在气膜缝出口下游形成保护膜，阻止主流冷空气与防冰支板表面直接接触并改变附近的空气流场，不仅降低了气膜缝出口下游的水滴局部撞击效率，而且还会使上游的水滴局部撞击效率变低，从而降低了水滴总撞击效率。

(2)防冰支板气膜缝位置对水滴撞击极限影响较小，气膜缝出流位置前移可降低支板表面水滴的总撞击效率，并且越靠近前缘降幅越大。

(3)气膜缝出流角度对水滴撞击极限和水滴局部撞击效率影响较小。当气膜缝出流角度小于55°时，水滴总撞击效率几乎不变；气膜缝出流角度大于55°时，随着出流角度的增大水滴总撞击效率逐渐减小，但气膜覆盖效果会逐渐变差。

(4)气膜缝宽度对水滴总撞击效率、撞击极限和局部撞击效率影响都较小，但气膜缝宽度越大气膜覆盖效果越好。

(5)随着气膜缝出流流量的增加，支板表面水滴的总撞击效率和撞击极限逐渐减小；水滴局部撞击效率在气膜缝后逐渐降低，在气膜缝前不变，且随着气膜缝出流流量的增加，形成的热气膜厚度增加，覆盖的距离更远。

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Effect of film gap outflow on water drop lets im pingem ent characteristics of the an ti-icing vane

LIU Hua，YANG Jun
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

In order to study the effect of film gap outflow on water droplet impingement characteristics of the anti-icing vane,the water droplet impingement characteristics of different position,outlet angle,width and flow rate of film gap were calculated by discrete phase model of Fluent software.Calculation results in⁃dicate that the water droplet impingement limit decreases as the flow rate increases;the local impact effi⁃ciency of water droplets is affected by position,and decreases with the increasing of outlet angle and flow rate;the total impact efficiency of the water droplets decreases with forward movement of the position,the increasing of outlet angle and flow rate;the film coverage efficiency would be better with the decreasing of outlet angle,the increasing of width and flow rate.

aero-engine；anti-icing system；anti-icing vane；droplet impingement characteristics；film gap outflow

V231.3

：A

：1672-2620(2017)02-0051-07

2016-09-12；

：2017-02-17

刘 华(1986-)，女，江西上高人，工程师，硕士，主要从事航空发动机热分析研究和防冰系统设计。