CN117763743B - 发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞机和发动机结冰技术领域，具体公开一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，该方法通过能量和质量分析，得到对冰晶结冰过程影响较大的关键参数，关键参数分别为湿球温度、融化率和总冰水含量，并基于冰晶结冰理论模型、数值模拟方法，进一步分析关键参数的变化情况与结冰状态、积冰量之间的关系，得到关键参数临界值的大小，用以预判积冰风险以及指导航空发动机部件的地面冰晶结冰试验设计。
Description
技术领域
本发明涉及飞机和发动机结冰技术领域，特别涉及一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法。
背景技术
飞机和发动机的结冰问题一直是威胁飞行安全的重要因素，早前的相关研究主要集中在过冷水滴结冰方面。有关调查研究表明，商用飞机在超过7000的高空时经常发生发动机失效事故并且事故的原因是高空冰晶进入发动机造成的冰晶结冰。研究普遍认为高空冰晶在进入发动机流道后，在热环境下运动会发生融化，部分融化的冰晶粒子撞击发动机部件时会黏附在部件表面，后续粒子进一步黏附积冰或冻结积冰，严重时会引发发动机故障。
2015年美国联邦航空规章正式发布了FAR33-34号修正案，其中包含了冰晶结冰适航要求。国外针对冰晶结冰开展了机理、模型和发动机部件级冰晶结冰实验，且部分结果已用到发动机适航审定中。
航空发动机开展冰晶结冰的适航符合性认证时，采取部件级的地面冰晶结冰试验是可选方案之一，但目前还没有掌握冰晶结冰的关键参数及其积冰临界值的确定方法和相关技术，无法指导发动机部件的地面冰晶结冰试验状态点的选取，无法支撑航空商用发动机结冰适航符合性认证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，旨在提出一种能够用于航空发动机冰晶结冰临界参数的确定方法和技术，服务于航空发动机冰晶结冰适航符合性认证中部件级地面试验点的选定。
为了达到上述目的，本发明提供一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，其采用的技术方案如下：
一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，所述方法包括：
根据试验部件确定几何构型以及根据发动机工况确定试验的速度边界；
确定冰晶粒子直径；
通过组合压力、温度和相对湿度的值改变不同的湿球温度，根据压力、温度和速度边界计算空气流动换热、冰晶粒子撞击特性，获得部件表面对流换热系数和冰晶撞击特性结果；
通过改变融化率和总冰水含量的值，计算不同湿球温度条件下的结冰潜热/>，构建湿球温度和结冰潜热的拟合关系式；
基于所述湿球温度和结冰潜热的拟合关系式确定临界湿球温度，并根据临界湿球温度确定临界的温度、湿度和压力的参数组合值；
计算不同黏附冰晶量条件下对应的积冰量，构建积冰量和黏附冰晶量/>的拟合关系式；
基于所述积冰量和黏附冰晶量/>的表达式确定临界黏附冰晶量；
根据临界黏附冰晶量与融化率、总冰水含量之间的关系式，确定临界的融化率和总冰水含量的组合值，式中/>是黏附冰晶量；/>是融化率；/>为远场速度；IWC为总冰水含量；E m 为粒子总收集系数。
进一步地，所述湿球温度和结冰潜热的拟合关系式表示为。
进一步地，当时，得到临界湿球温度，值为-1.19℃。
进一步地，当时，/>，此时部件表面为冻结主导式积冰；当时，/>，此时部件表面为融化主导式积冰。
进一步地，所述积冰量量和黏附冰晶量/>的拟合关系式为。
进一步地，当时，得到临界黏附冰晶量值为1.4 g/s。
进一步地，当黏附冰晶量时，部件表面不发生积冰。
本发明的有益效果是：
本发明通过能量和质量分析，得到对冰晶结冰过程影响较大的关键参数，进一步分析关键参数的变化情况与结冰状态、积冰量之间的关系，得到关键参数临界值的大小，用以预判积冰风险以及指导航空发动机部件的地面冰晶结冰试验设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了根据本发明实施例的部件表面冰晶结冰的热力学过程示意图。
图2示出了根据本发明实施例的表面冻结潜热与湿球温度的关系图。
图3示出了根据本发明实施例的表面积冰量与固态冰黏附量的关系图。
图4示出了根据本发明实施例的一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
航空发动机内部状态复杂，冰晶进入发动机后的运动融化及撞击部件表面冻结和很多因素有关，如果盲目地选定试验工况开展试验，有可能不能找到和实际发动机内部相符的结冰工况。冰晶结冰过程涉及了固-液-气三种相态，传热传质作用相互耦合，是一个多学科综合作用的过程。该物理过程涉及多个影响因素，各影响因素之间互相耦合，共同作用。
基于此，本发明实施例提供一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法。
该方法的一个核心点在于如何确定关键参数，下面本发明实施例将详细对关键参数的分析确定过程进行展开阐述。
如图1所示，冰晶结冰过程复杂，受到多种因素的影响，包括环境压力、温度、湿度、冰晶粒径、冰晶含量、速度、几何结构等。在发动机部件几何形状、气流速度确定的情况下分析关键参数。开展了不同温度、湿度、粒子融化率、总冰水含量时的冰晶积冰分析。
通过控制变量法开展了温度、湿度、粒子融化率、总冰水含量变化对整体冰晶积冰过程的影响计算和分析。
从能量角度分析，找出对冰晶结冰过程中各个能量项（对流换热量、蒸发散热量、结冰潜热）影响较大的因素，发现在不同温度和相对湿度但湿球温度相同时，结冰潜热变化不大，如表 1和图 2，说明影响表面是否发生结冰或是融冰的关键参数是湿球温度。湿球温度大小由环境压力、温度和相对湿度共同决定，和发动机内部工作状态有关。在开展发动机部件的冰晶结冰地面试验时可以结合发动机实际工况以及地面模拟设备的能力，选压力、温度和相对湿度的组合但保证在湿球温度的临界值附近开展试验，可将环境压力、温度、相对湿度三个参数降维成湿球温度一个参数。
表 1 不同温湿度组合但保证相同湿球温度时的表面各项热流数据
| 湿球温度(℃) | 温度(℃) | 相对湿度 | 对流换热量(J/s) | 蒸发热量(J/s) | 冻结潜热（负值代表融化）(J/s) |
| 1.58 | 25.42 | 0.05 | -392.216 | 327.480 | -93.135 |
| 1.58 | 21.28 | 0.1 | -336.891 | 265.105 | -100.185 |
| 1.58 | 16.11 | 0.2 | -267.392 | 186.918 | -108.874 |
| 1.58 | 12.71 | 0.3 | -221.333 | 135.105 | -114.627 |
| 1.58 | 10.16 | 0.4 | -186.496 | 96.312 | -118.584 |
| 1.58 | 8.13 | 0.5 | -158.625 | 65.046 | -121.978 |
| 1.58 | 6.44 | 0.6 | -135.239 | 38.857 | -124.782 |
| 1.58 | 4.99 | 0.7 | -115.136 | 19.837 | -123.699 |
| 1.58 | 3.72 | 0.8 | -97.390 | 7.859 | -117.931 |
| 1.58 | 2.59 | 0.9 | -81.556 | 0.733 | -109.223 |
| 1.58 | 1.58 | 1 | -67.542 | 0.000 | -95.942 |
从质量角度分析，分析计算结果发现表面的积冰量和黏附冰晶量呈正相关的关系，如图 3，影响黏附冰晶量的主要参数为融化率和总冰水含量，说明融化率和总冰水含量是影响表面积冰总量的关键参数。
因此，可以确定核心的三个关键参数分别为湿球温度、冰晶融化率和总冰水含量，下面说明这三个关键参数的确定方法。结合计算分析和欧美适航条例中对总冰水含量TWC的要求，从如下范围来确定关键参数的临界值：
湿球温度：-6~10℃；
冰晶融化率：0.05-0.9；
总冰水含量：0.5-5.3g/m3。
如图4所示，为发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法的流程图，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1，根据试验部件确定几何构型以及根据发动机工况确定试验的速度边界。
步骤S2，确定冰晶粒子直径。
本实施例中，根据结合试验设备条件以及适航条例选择冰晶粒子直径，具体为30μm。
步骤S3，通过组合压力、温度和相对湿度的值改变不同的湿球温度，根据压力、温度和速度边界计算空气流动换热、冰晶粒子撞击特性，获得部件表面对流换热系数和冰晶撞击特性结果。
步骤S4，通过改变融化率和总冰水含量的值，计算不同湿球温度条件下的结冰潜热/>，构建湿球温度和结冰潜热的拟合关系式。
步骤S5，基于所述湿球温度和结冰潜热的拟合关系式确定临界湿球温度，并根据临界湿球温度确定临界的温度、湿度和压力的参数组合值。
本实施例中，通过改变融化率和总冰水含量的值，分析计算不同湿球温度条件下的结冰潜热/>，如图2中方形点为不同湿球温度时对应的结冰潜热，湿球温度和结冰潜热近似为线性关系，因此得到/>的拟合关系式，从而获得当/>时，的临界湿球温度，其值为-1.19℃。当/>时，/>，此时部件表面为冻结主导式积冰；当/>时，/>，此时部件表面为融化主导式积冰。在获得临界湿球温度的基础上，可以进一步分析获得临界的温度、湿度和压力的参数组合值。
步骤S6，计算不同黏附冰晶量条件下对应的积冰量，构建积冰量和黏附冰晶量的拟合关系式。
步骤S7，基于所述积冰量和黏附冰晶量/>的表达式确定临界黏附冰晶量。
步骤S8，根据临界黏附冰晶量与融化率、总冰水含量之间的关系式，式中/>是黏附冰晶量；/>是融化率；/>为远场速度；IWC为总冰水含量；E m 为粒子总收集系数，确定临界的融化率和总冰水含量的组合值。
本实施例中，通过分析对比不同黏附冰晶量条件下对应的积冰量，如图3，对数据进行拟合，得到积冰量和黏附冰晶量/>之间的拟合关系式，从而获得/>时的临界黏附冰晶量，其值为1.4 g/s。当黏附冰晶量/>时，部件表面不会发生积冰。在获得临界黏附积冰量的基础上，可以根据黏附积冰量与融化率、总冰水含量等之间的关系式，获得临界的融化率和总冰水含量的组合值。
最后，在得到上述冰晶积冰的关键参数的临界值后，用于指导部件级冰晶结冰的地面实验参数的选取，减少实验次数的同时增大试验成功概率。
因此，本发明所提出的高空冰晶结冰部件级地面试验关键参数及其临界值的确定方法，支撑部件级冰晶地面试验参数的选定，减少试验量，提高试验成功率。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，其特征在于，所述方法包括：
根据试验部件确定几何构型以及根据发动机工况确定试验的速度边界；
确定冰晶粒子直径；
通过组合压力、温度和相对湿度的值改变不同的湿球温度，根据压力、温度和速度边界计算空气流动换热、冰晶粒子撞击特性，获得部件表面对流换热系数和冰晶撞击特性结果；
通过改变融化率和总冰水含量的值，计算不同湿球温度条件下的结冰潜热/>，构建湿球温度和结冰潜热的拟合关系式；
基于所述湿球温度和结冰潜热的拟合关系式确定临界湿球温度，并根据临界湿球温度确定临界的温度、湿度和压力的参数组合值；
计算不同黏附冰晶量条件下对应的积冰量，构建积冰量和黏附冰晶量/>的拟合关系式；
基于所述积冰量和黏附冰晶量/>的表达式确定临界黏附冰晶量；
根据临界黏附冰晶量与融化率、总冰水含量之间的关系式，确定临界的融化率和总冰水含量的组合值，式中/>是黏附冰晶量；/>是融化率；V ∞为远场速度；IWC为总冰水含量；E m 为粒子总收集系数；
所述湿球温度和结冰潜热的拟合关系式表示为。
2.根据权利要求1所述的发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，其特征在于，当时，得到临界湿球温度，值为-1.19℃。
3.根据权利要求1所述的发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，其特征在于，当时，/>，此时部件表面为冻结主导式积冰；当时，/>，此时部件表面为融化主导式积冰。
4.根据权利要求1所述的发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，其特征在于，所述积冰量和黏附冰晶量/>的拟合关系式为。
5.根据权利要求4所述的发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，其特征在于，当时，得到临界黏附冰晶量值为1.4 g/s。
6.根据权利要求4所述的发动机部件冰晶结冰地面试验的关键参数临界值确定方法，其特征在于，当黏附冰晶量时，部件表面不发生积冰。
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