[發明專利]航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法

在審

• 申請號: 201410559137.0
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104298886A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 胡秀娟;計春雷;黎明
• 申請（專利權）人: 上海電機學院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F17/50
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 鄭瑋

1.一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，包括如下步驟：?

步驟一，對該航空發動機旋轉部件進行進行3-D空氣動力學建模；?

步驟二，輸入該發動機旋轉部件葉片的幾何形狀；?

步驟三，利用商用軟件對該旋轉部件的葉片通道進行網格劃分；?

步驟四，利用N-S方程計算連續流場，進行水滴路徑跟蹤；?

步驟五，求解水滴跟蹤方程，確定水滴的路徑，并計算水收集效率；?

步驟六，利用商用軟件對冰形進行描述，得到冰生長過程的數值模擬。?

2.如權利要求1所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于：于步驟一中，考慮該發動機旋轉部件的旋轉特性，根據旋轉圓柱3-D坐標系，建立控制方程，并在此基礎上推導動量方程和能量方程，該動量方程中的雷諾應力項必須包含湍流應力，根據博欣內斯克近似，湍流封閉、湍流粘滯性的平均應變率與湍流應力有關，從而得到雷諾應力項與湍流動能的關系。?

3.如權利要求2所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于：于步驟四中，水滴路徑的跟蹤是建立在能量交換模型和空氣動力學模型相互作用基礎上的。?

4.如權利要求3所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于，步驟四進一步包括如下步驟：?

利用傳統的分析方法，分析阻力、升力對水滴運動的作用，包括雷諾數、馬赫數、克努森數，分析流場條件，該流場條件包括湍流、表面粗糙度、速度梯度、邊界層厚度、壓力梯度；?

建立熱交換模型，計算任一時刻的水滴溫度；?

建立水滴的動力模型，其所遵循的準則是粒子所受外力平衡；?

根據兩個模型的相互作用對水滴路徑產生的影響,實現水滴路徑跟蹤。?

5.如權利要求4所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方?法，其特征在于：步驟四還包括建立隨機的CRW模型，該模型利用平均動能和流場耗散來創建渦流波動，定量地分析湍流對水滴路徑的影響的步驟。?

6.如權利要求5所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于，該熱交換模型的熱交換方程為：?

其中，m_p是過冷水滴的質量，C_p是過冷水滴的比熱，T_p是過冷水滴的溫度，T_g是氣相溫度，A_p是水滴表面面積，h是水滴和氣體之間的熱交換系數。?

7.如權利要求6所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于：該動力模型的動力方程為：?

其中，Z_p，r_p，θ_p表示在圓柱坐標系下水滴的坐標位置，F_r，F_z，F_θ分別為水滴所受的力在徑向、軸向、方位角坐標上的分量，ω表示發動機旋轉葉片的旋轉角速度，t表示時間。?

8.如權利要求7所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于：于步驟五中，從面積的比值入手，分析旋轉葉片通道水滴軌跡，尋求葉片表面水滴收集量和水滴撞擊總量之間的關系，精確旋轉部件3-D水收集效率的計算方法。?

9.如權利要求8所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于，該水收集效率為旋轉葉片表面水滴的質量與吸入發動機通道總的水滴質量之比，該水收集效率為：?

其中，假設隨機網格面積δA_j，其表面總的水滴數目為N_j，則該面積上水滴總質量為M_p是每個水滴的質量，假設吸入一個葉片的水滴數量是N_p，葉片的數量是N_b，且顆粒的尺寸均勻，則入口通道總質量為?

10.如權利要求1所述的一種航空發動機旋轉部件的結冰3-D數值模擬方法，其特征在于，該N-S方程為：?

其中，ρ是流體的密度，v是流體的運動粘性系數，f_i是質量力強度，u_i表示速度在x軸上的分量，p表示壓力。?