李云單，陸海鷹，朱惠人

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015；2.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng) 力與能源學(xué)院，西安 710072）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱氣防冰結(jié)構(gòu)的沖擊換熱特性研究

李云單1，陸海鷹1，朱惠人2

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015；2.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng) 力與能源學(xué)院，西安 710072）

為了驗(yàn)證沖擊換熱特性在熱氣防冰結(jié)構(gòu)中的適用性，利用數(shù)值模擬方法對(duì)典型熱氣防冰系統(tǒng)整流支板中的沖擊換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。根據(jù)相應(yīng)的換熱試驗(yàn)簡(jiǎn)化了計(jì)算模型，利用該模型計(jì)算了沖擊距離、沖擊孔直徑、沖擊孔間距和Re對(duì)熱氣防冰系統(tǒng)沖擊結(jié)構(gòu)換熱能力的影響，驗(yàn)證了整流支板中沖擊換熱結(jié)構(gòu)的換熱規(guī)律與單獨(dú)沖擊換熱結(jié)構(gòu)的一致性，并獲得了熱氣防冰系統(tǒng)中其他結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊換熱結(jié)構(gòu)換熱的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：減小沖擊距、增加孔徑、減小孔間距及增大Re都能夠增強(qiáng)換熱能力。

防冰系統(tǒng)；沖擊換熱；整流支板；數(shù)值模擬；航空發(fā)動(dòng)機(jī)?

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰主要由低溫大氣云層中存在的過(guò)冷水微滴、冰晶以及凍雨和降雪等引起。當(dāng)飛機(jī)穿過(guò)低溫云層時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口部件的防冰能力不足，就會(huì)結(jié)冰。航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰的危害極大：直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口堵塞，輕者減少發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口流量，重者引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振；葉片表面積冰將破壞葉片氣動(dòng)外形，降低風(fēng)扇效率；冰的堆積或脫落會(huì)造成旋轉(zhuǎn)不均勻，引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)增大；脫落的冰塊很容易損壞發(fā)動(dòng)機(jī)部件，甚至打毀葉片，造成飛行事故。美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全局調(diào)查顯示，在整個(gè)航空界每年發(fā)生100起與結(jié)冰有關(guān)的故障和28起機(jī)毀人亡的事故[1]。由此可見(jiàn)，結(jié)冰問(wèn)題對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和工作穩(wěn)定性的影響很大，必須引起高度重視。

本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱氣防冰結(jié)構(gòu)為原型，對(duì)真實(shí)結(jié)構(gòu)的整流支板防冰結(jié)構(gòu)換熱特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了沖擊結(jié)構(gòu)在真實(shí)整流支板中的換熱特性。

1 研究現(xiàn)狀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的防冰系統(tǒng)種類(lèi)很多，在不同的使用環(huán)境下可以采用不同的形式。其包括氣動(dòng)脈沖防冰系統(tǒng)、液體防冰系統(tǒng)、電加熱防冰系統(tǒng)、空氣和空氣－滑油加熱防冰系統(tǒng)、黏性涂層等。目前，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用的防冰系統(tǒng)以加熱式為主，其中最主要的是熱氣式，其原理是使用從高壓壓氣機(jī)引來(lái)的熱空氣加熱需要防護(hù)的表面，使積冰融化或者水蒸發(fā)以防止結(jié)冰。其優(yōu)點(diǎn)是工藝比較成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕和可靠性較高；缺點(diǎn)是從壓氣機(jī)引氣會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化[2]。在熱氣式防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高效的換熱結(jié)構(gòu)能夠在保證防冰效果的同時(shí)降低防冰系統(tǒng)引氣量，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

典型的熱氣防冰系統(tǒng)是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口整流支板及帽罩內(nèi)部設(shè)計(jì)換熱結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口部件進(jìn)行加熱防冰。在整流支板中，采用1種常用的換熱形式——沖擊換熱。由高壓壓氣機(jī)引來(lái)的熱空氣通過(guò)集氣腔進(jìn)入到整流支板后，一部分通過(guò)后腔通道進(jìn)入整流帽罩，另一部分通過(guò)前、后腔之間隔板上的沖擊孔對(duì)前腔前緣和側(cè)壁進(jìn)行沖擊加熱后從整流支板側(cè)壁的氣膜縫流出形成氣膜覆蓋到整流支板外表面，從而達(dá)到防止結(jié)冰的目的。整流支板的防冰原理如圖1所示，橫截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于在整個(gè)換熱結(jié)構(gòu)中，存在沖擊和氣膜2種加熱方式，因此，這種防冰方式也稱(chēng)為沖擊-氣膜復(fù)合防冰。該防冰系統(tǒng)整流支板中的換熱在狹窄、漸縮通道進(jìn)行，同時(shí)受沖擊、氣膜出流等因素的影響，其換熱規(guī)律特別復(fù)雜。

在進(jìn)行數(shù)值研究之前，對(duì)上述整流支板中的沖擊換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3]，該試驗(yàn)采用熱色液晶全表面測(cè)溫技術(shù)，得到了整流支板沖進(jìn)腔內(nèi)表面的換熱規(guī)律。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，利用商業(yè)軟件CFX對(duì)試驗(yàn)中簡(jiǎn)化的沖擊換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。從Re、沖擊距離、沖擊孔間距和沖擊孔直徑等方面研究和探討了不同因素對(duì)典型熱氣防冰結(jié)構(gòu)沖擊腔換熱規(guī)律的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的有效性。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

沖擊換熱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型由試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化得到。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的流動(dòng)方式，計(jì)算模型包括進(jìn)口段、沖擊孔、沖擊腔及氣膜縫等，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示。計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于需要考察壁面附近的換熱特性，對(duì)壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。

真實(shí)整流支板的計(jì)算模型包括整流支板、整流支板內(nèi)腔和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道扇段。為了減少計(jì)算量，對(duì)整流支板做了簡(jiǎn)化處理，縮短了整流支板的長(zhǎng)度，由于在半徑方向上，整流支板具有一定的周期性，該簡(jiǎn)化不會(huì)影響相應(yīng)結(jié)論的得出。對(duì)計(jì)算模型劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)局部近壁面進(jìn)行了加密處理，網(wǎng)格數(shù)量為420萬(wàn)，計(jì)算模型及計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。

2.2 湍流模型

數(shù)值計(jì)算中采用的湍流模型為RNG k-ε模型，是對(duì)N-S方程進(jìn)行重正化群分析，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上提高了湍流漩渦和方程的計(jì)算精度得到的，適用于速度梯度變化較大、有渦流存在、Re不太高的情形[4]。其輸運(yùn)方程形式為

式中：Cε1RNG、Cε2RNG、σk和 σεRNG為常數(shù)；Pk為黏性力和浮生力引起的湍流附加項(xiàng)。

2.3 參數(shù)定義及邊界條件

式中：ρ為沖擊孔內(nèi)平均氣流密度；u為平均氣流流速；d為沖擊孔直徑。

為了便于在計(jì)算中調(diào)整參數(shù)，經(jīng)過(guò)換算之后可以表達(dá)為

式中：m為進(jìn)口氣流的質(zhì)量流量。

壁面Nu定義為

式中：h為換熱系數(shù)；λ為進(jìn)口氣流的導(dǎo)熱系數(shù)[5]。

為了方便與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，本文計(jì)算Re=15000～35000。計(jì)算中對(duì)沖擊換熱結(jié)構(gòu)加載的邊界條件為：進(jìn)口按照相應(yīng)的工況給定流量邊界條件，出口給定壓力邊界條件。真實(shí)整流支板邊界條件根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況給出，具體數(shù)值在結(jié)果分析中部分給出。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 沖擊距離對(duì)沖擊腔內(nèi)表面換熱的影響

在Re=20000，d=6 mm，孔間距s=65.2mm，沖擊距離l分別為120、84.6 mm時(shí)，沖擊腔側(cè)壁和端壁數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)得到的Nu云圖如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，在沖擊氣流流動(dòng)方向上存在換熱能力較強(qiáng)的沖擊區(qū)。沖擊距離較大時(shí)，氣膜縫對(duì)側(cè)壁Nu的影響較大，氣膜縫周?chē)鶱u比周?chē)渌麉^(qū)域的大；隨著沖擊距離的減小，側(cè)壁Nu最大值區(qū)域向端壁與側(cè)壁交界處移動(dòng)，氣膜縫增強(qiáng)，換熱效果減弱，而整體換熱能力增強(qiáng)，端壁處的Nu增大，沖擊駐點(diǎn)區(qū)域變小，但端壁平均Nu增大，這與沖擊換熱本身的特點(diǎn)一致。比較相同工況下的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果可知，二者Nu分布情況基本相同。所不同的是計(jì)算結(jié)果中的氣膜縫附近的Nu增強(qiáng)區(qū)域以及駐點(diǎn)區(qū)域更加明顯，其原因可能是由試驗(yàn)過(guò)程中沖擊氣流有漏氣或者壁面粗糙影響造成的。

在相同結(jié)構(gòu)下，側(cè)壁和端壁平均Nu隨沖擊距離的變化如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，隨著沖擊距離的減小，換熱能力明顯增強(qiáng)，端壁的增大趨勢(shì)要大于側(cè)壁的。小沖擊距離下端壁Nu計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大，其原因可能是由于在小沖擊距離下，試驗(yàn)過(guò)程中存在的氣流阻力要大于計(jì)算過(guò)程中的理想值，而計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有對(duì)這部分阻力進(jìn)行考慮，導(dǎo)致沖擊端壁的氣流要大于試驗(yàn)過(guò)程的，因此端壁換熱計(jì)算值大于試驗(yàn)值。

3.2 沖擊孔間距對(duì)沖擊腔內(nèi)表面換熱的影響

在 Re=35000，d=6 mm，l=120mm，s分別為65.2、32.6 mm時(shí)，側(cè)壁和端壁的Nu分布如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，隨著孔間距的減小，沖擊腔內(nèi)表面?zhèn)缺诘膿Q熱能力增強(qiáng)，并且在較小的孔間距下Nu分布更加均勻。隨著孔間距的減小，沖擊換熱加強(qiáng)區(qū)域向沖擊氣流上游移動(dòng)，在端壁處沖擊效果減弱。產(chǎn)生這種情況的原因是由于隨著孔間距的減小，沖擊氣流相互之間的干擾增強(qiáng)，流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致沖擊氣流流動(dòng)速度衰減很快，使得沖擊到端壁的氣流減少，從而對(duì)端壁的沖擊效果減弱。因此，沖擊孔間距需要在一定范圍內(nèi)，太小的孔間距不利于整流支板沖擊腔端壁的換熱。比較相同結(jié)構(gòu)下的計(jì)算值與試驗(yàn)值，二者具有相似的Nu分布，在相同區(qū)域中的Nu計(jì)算結(jié)果同樣要比試驗(yàn)結(jié)果偏大，其原因可能與第3.1節(jié)中的原因類(lèi)似。

平均Nu隨孔間距的變化如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，側(cè)壁的Nu隨著孔間距的減小而增大，端壁的Nu隨著孔間距減小先增大再增小，孔間距減小到一定值時(shí)，端壁的平均Nu基本不再變化。其原因是孔間距減小時(shí)，如Re不變，則進(jìn)入沖擊腔的氣流增加，Nu增大；當(dāng)孔間距減小到一定值時(shí)，沖擊氣流之間的相互擾動(dòng)較大，流動(dòng)阻力增大，氣流很難直接沖擊到端壁，造成端壁Nu減小。因此在防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，孔間距應(yīng)設(shè)定在一定范圍內(nèi)，否則達(dá)不到預(yù)期效果。

3.3 沖擊孔直徑對(duì)沖擊腔內(nèi)表面換熱的影響

在Re=30000，l=120mm，s=65.2mm，d分別為4、6、8mm時(shí)，沖擊腔結(jié)構(gòu)內(nèi)表面計(jì)算及試驗(yàn)得到的側(cè)壁和端壁Nu分布云圖如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，沖擊孔直徑對(duì)內(nèi)表面Nu分布的影響不大，對(duì)Nu大小有一定的影響；隨著沖擊孔直徑的增大，內(nèi)表面Nu增大，并且側(cè)壁Nu的峰值隨著孔徑的增大向下游移動(dòng)。在Re不變的情況下，隨著沖擊孔直徑增大，流量也增加，沖擊腔內(nèi)表面換熱能力增強(qiáng)，沖擊到端壁附近的氣量相應(yīng)增加，這樣端壁附近的換熱必然增強(qiáng)。對(duì)比數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)得到的換熱分布相似，但絕對(duì)值有所差異。

沖擊腔內(nèi)表面平均Nu隨孔徑的變化曲線如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，隨著孔徑的增加，平均換熱系增大。并且隨著Re的增大，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)得到的結(jié)果偏差增大，說(shuō)明計(jì)算所選擇的湍流模型在較高Re下計(jì)算精度有所下降。

3.4 Re對(duì)沖擊腔內(nèi)表面換熱系數(shù)的影響

對(duì)比相同結(jié)構(gòu)不同Re的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果可知：在結(jié)構(gòu)不變的情況下，Re的增大不會(huì)改變沖擊腔換熱的分布，但沖擊腔內(nèi)表面的換熱能力會(huì)隨著Re的增大而增強(qiáng)。由Re的定義可知，增大Re意味著增加沖擊氣體流量，從而導(dǎo)致?lián)Q熱增強(qiáng)。在防冰系統(tǒng)工作過(guò)程中，增加防冰系統(tǒng)引氣量，可以提高防冰能力，但這與從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能相矛盾。因此，利用提高防冰系統(tǒng)整流支板進(jìn)口Re來(lái)提高防冰能力是防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)不考慮的方法。

表1 邊界條件

3.5 真實(shí)整流支板計(jì)算結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證上述沖擊換熱結(jié)構(gòu)在真實(shí)整流支板內(nèi)部的換熱特點(diǎn)，對(duì)如圖5所示的計(jì)算模型進(jìn)行了流固耦合計(jì)算。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，給定進(jìn)口流量和溫度邊界條件，給定出口壓力邊界條件，見(jiàn)表1。

真實(shí)整流支板沖擊腔內(nèi)表面Nu分布云圖如圖12所示。從圖中可見(jiàn)，與單獨(dú)沖擊腔相比，真實(shí)整流支板中的沖擊換熱結(jié)構(gòu)具有相似的換熱分布。在靠近端壁的氣膜縫附近，換熱能力明顯加強(qiáng)，而與之對(duì)應(yīng)的端壁上的沖擊效果卻比相鄰駐點(diǎn)區(qū)域的弱，其原因是沖擊氣流在沖擊到靠近端壁的氣膜縫附近時(shí)，流速減小，壓力增大，在氣膜縫的抽吸作用下，更多的氣流直接從氣膜縫流出，造成對(duì)端壁的沖擊效果減弱，從而使氣膜縫附近的換熱增強(qiáng)。從圖中還可以看出，沖擊腔內(nèi)表面換熱系數(shù)從進(jìn)口端到出口端有減小的趨勢(shì)，其原因是流動(dòng)損失的存在使得進(jìn)入到?jīng)_擊孔的氣流逐漸減少，換熱必然減弱。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，前面對(duì)單獨(dú)沖擊腔進(jìn)行的換熱研究得到的規(guī)律在真實(shí)整流支板結(jié)構(gòu)中同樣適用，在進(jìn)行熱氣防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮孔徑、孔間距、沖擊距離的影響。

整流支板外表面溫度分布云圖如圖13所示。從圖中可見(jiàn)，在沒(méi)有考慮結(jié)冰環(huán)境影響的情況下，整流支板外表面溫度基本在0℃以上，可以達(dá)到防冰的目的。整流支板外表面的溫度分布從上到下逐漸降低，溫度最低點(diǎn)在整流支板的下部。這是因?yàn)閮?nèi)表面換熱系數(shù)從上到下逐漸減小的緣故。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在容易結(jié)冰的條件下工作時(shí)，整流支板下部靠近帽罩部分是最容易結(jié)冰的部位，進(jìn)行防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重考慮該部位的防冰效果。整流支板內(nèi)部流動(dòng)的流線如圖14所示。從圖中可見(jiàn)，沖擊腔內(nèi)部的沖擊效果比較明顯，而且上部的流動(dòng)要比下部的復(fù)雜，這也是造成換熱效果從上到下逐漸減弱的原因；在整流支板后腔下部，存在1個(gè)明顯的渦，使得該處流動(dòng)比較弱，換熱能力不強(qiáng)，這是造成整流支板下部溫度最低的原因。

4 結(jié)論

（1）本文利用數(shù)值計(jì)算研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱氣防冰系統(tǒng)整流支板沖擊腔的換熱特性。結(jié)果表明：沖擊距離、沖擊孔直徑、沖擊孔間距等因素是影響該結(jié)構(gòu)沖擊換熱效果的主要因素。減小沖擊距，增大沖擊孔直徑，減小沖擊孔間距都能夠增強(qiáng)換熱效果。在結(jié)構(gòu)不變的情況下，增大Re也可以提高沖擊腔換熱能力。

（2）在整流支板結(jié)構(gòu)中，氣膜縫對(duì)沖擊腔內(nèi)表面換熱系數(shù)有很大影響，沖擊氣體從氣膜縫流出使得氣膜縫周?chē)膿Q熱能力增強(qiáng)，氣膜縫和端壁之間的距離對(duì)端壁的換熱系數(shù)有一定影響，由于氣體從靠近端壁的氣膜縫直接流出較多，端壁的換熱能力有一定減弱。

（3）單獨(dú)沖擊腔的換熱規(guī)律在真實(shí)熱氣防冰結(jié)構(gòu)中同樣適用，可以利用單獨(dú)沖擊腔試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行熱氣防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（4）在熱氣防冰系統(tǒng)中，整流支板下部是最容易結(jié)冰的部位，在進(jìn)行傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重考慮。

（5）減小沖擊孔間距可以增強(qiáng)換熱能力，但沖擊孔間距應(yīng)該在一定范圍內(nèi)，孔間距過(guò)小時(shí)由于沖擊氣流的相互影響使得沖擊效果減弱。

總之，在熱氣防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該綜合考慮沖擊距離、沖擊孔直徑和沖擊孔距離等因素的影響。在強(qiáng)度、工藝允許的情況下，盡量減小沖擊距，增大沖擊孔直徑，并確定合適的沖擊孔間距；同時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮易結(jié)冰部位（如整流支板下部）的防冰能力，使防冰系統(tǒng)能夠用最少的引氣達(dá)到最佳的防冰效果，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。

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Study of Impacting Heat Transfer Characteristic for Aeroengine Heat Anti-icing Structure

LI Yun-dan1,LU Hai-ying1,ZHU Hui-ren2
（1.AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China;2.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University Xi'an 710072,China）

In order to validate the application of impacting heat transfer characteristic in the anti-icing structure,the impacting heat transfer of typical heat anti-icing system in fairing plate was studied by numerical simulation.The numerical model was obtained by experiment.The effect of impact distance,impacting hole diameter,impacting hole spacing and Reynolds number （Re） on the heat transfer of impacting structure for the heat anti-icing system was calculated by the model.The heat transfer rule consistency between the whole fairing and separate impacting heat transfer structure was demonstrated.The effect law of other structure on the impacting heat transfer in the heat anti-icing system was obtained.The results show that reducing the impact distance and hole spacing,increasing the hole diameter and Re can enhance the heat transfer capability.

anti-icing system;impacting heat transfer;fairing spoke;numerical simulation;aeroengine

李云單（1980），男，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、熱分析等設(shè)計(jì)分析工作。