摘要：复杂气流环境中冰晶的融化特性是航空发动机防冰技术研究的关键,开展冰晶粒子融化特性的可视化实验研究是探究发动机积冰机理和提高飞行器安全性的重要手段。本文设计并搭建了微小悬浮冰晶融化特性可视化实验系统,提出了基于OpenCV的冰水相界面识别方法,开发了基于等效模型法的冰晶融化率计算程序。以体积为0.4~1.4μL的球形冰晶粒子在壁面温度为5~35℃腔体内的融化过程作为研究对象,开展了冰晶融化特性实验研究,探究了温度、粒径对冰晶融化率的影响规律,基于实验数据拟合得到冰晶融化速率实验关联式。研究表明:冰晶融化率与时间基本呈线性关系;相较于温度,粒径对融化速率的影响更加明显;随着温度的升高,冰晶融化速率先快速增加后趋于平缓;当温度保持不变时,冰晶融化速率与粒径成反比;冰晶融化率较低时,冰芯容易发生“翻转”,从而导致冰晶融化率的测量值突变。该研究有助于深入理解冰晶相变换热机理,可为航空发动机内复杂气流环境下混合相冰晶积冰模型的优化提供理论依据。

摘要：为探究低温风洞中液氮液滴的破碎特性并阐明其破碎机理,基于耦合水平集流体体积函数(CLSVOF)方法,采用自适应局部网格加密技术,构建了二维液氮液滴破碎模型,对比了液氮液滴与常温液滴的形态演变规律,计算分析了韦伯数(We)对液氮液滴形态、变形系数及时间特性的影响规律。模拟结果表明:液氮液滴的We高于常温液滴,且更容易发生变形和破碎;随着We的增大,液氮液滴依次发生袋状破碎、多模式破碎和剪切破碎;液滴迎风面和背风面的压差均随时间呈现先增大后减小的规律,发生转变的原因是袋状结构形成或边缘液滴颗粒脱落;不同液氮液滴破碎模式下,变形系数的变化规律差异明显;液氮液滴无量纲初始破碎时间随We的增大而减小,在0<We<100时,临界变形系数维持在2.6附近。研究结果可为低温风洞中液氮喷雾冷却系统的优化提供理论依据。

摘要：为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰和侵蚀全物理过程的混合相结冰数值计算方法。分析了冰晶质量浓度(ice water content,IWC)、液态水质量浓度(liquid water content,LWC)以及冰晶黏附和侵蚀效应对结冰形态和结冰厚度的影响规律,对比了NTI和NRC两种冰晶黏附模型的适用条件。研究结果表明:当总水含量(total water content,TWC)一定时,随着冰水含量比IWC与LWC之比的增加,结冰覆盖面积逐渐减小,最大结冰厚度先增大后减小,冰形由冠状逐渐变为尖角状,当IWC与LWC分别为0.4 g·m^(-3)和1.0 g·m^(-3)时,驻点处的结冰厚度达到最大值;对于高IWC工况,NRC黏附模型的驻点结冰厚度更接近实验结果,误差为7.2%;对于低IWC工况,NTI模型与NRC模型的驻点结冰厚度接近;侵蚀作用主要影响翼型驻点附近的区域,IWC或LWC的增大均会加剧侵蚀效应。研究可为飞行器高效防除冰系统的设计提供理论依据。