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PAGE  PAGE 151 第二十六届（2010）全国直升机年会论文 桨叶结冰对旋翼气动特性影响的计算 胡立芃 刘国强 唐正飞 (南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016) 摘 要：用CFD、动量-叶素等方法建立一套桨叶结冰后旋翼气动特性分析方法。包括：二维翼型结冰的建模；二维翼型结冰后气动特性的计算方法；旋翼结冰对旋翼悬停性能的影响分析。本文使用UH-1的结冰实验数据验证了算法，并对国产直八直升机进行结冰前后的对比计算。计算结果表明积冰状态下桨叶翼型的升力系数降低，阻力系数增大。最终结果表明：积冰严重影响着旋翼的性能，这与由相关实验得出的结论一致。 关键词：结冰；直升机；旋翼 1引言 直升机结冰是一个老问题，也是公认的危及飞行安全的严重问题，特别是直升机旋翼系统结冰比固定翼飞机更加敏感，由于其自身具有可用功率有限，操纵面较小等特点，积冰更易使直升机造成危险。美国在1982～2000年统计，因结冰引起583起飞行事故，造成800多人死亡[1]。为了实行直升机全天候安全飞行的目标，各国针对直升机结冰问题做了大量研究。目前国内外针对旋翼桨叶结冰的研究方法主要有：在真实结冰气象条件下进行飞行试验；在人工气候实验室制造的模拟云中进行飞行测试；数值计算和风洞试验。如西科斯公司已经从事结冰研究以及防冰系统的研发超过57年，进行了直升机真实结冰气象的飞行试验，旋翼和翼型全尺寸模型以及缩比例模型的风洞试验。19世纪70年代，西科斯公司研制的电加热除冰系统，安装在2400架黑鹰直升机，现在仍然是一种有效的防冰系统。NASA也承担了结冰对旋翼翼型影响，直升机旋翼桨叶防/ 除冰系统等问题的研究，建立了实用的旋翼翼型结冰数据库,同时发展了LEWIC结冰计算程序。LEWIC可以计算直升机在结冰条件下的流场、水滴撞击特性，模拟结冰过程。国内也对结冰模型[2]、流场计算[3]、水滴撞击特性等方面做了大量研究，分析了结冰对翼型气动性能的影响，以及旋翼的防/ 除冰系统的防护范围[4]等。本文将采用数值计算方法，通过建立二维翼型结冰的数学模型，预测结冰后翼型形状，进而分析翼型结冰后的气动特性，采用动量-叶素结合方法分析结冰对旋翼气动特性影响。 2结冰后的外形确定 结冰的数值模拟主要分为：网格生成、空气流场计算、求解水滴运动方程、冰生长模型。由于过冷水滴在流场中的体积含量很小，不能够影响空气的流动,因此空气控制方程同水滴控制方程可以单独求解。流程如图1，首先计算空气流场，在求解出水滴粒子的撞击特性和运动轨迹后，建立单位控制体积内的质量和能量平衡冰生长模型，模拟结冰过程.当翼型形状改变后需要重新生成网格计算，直到所需的结冰时间为止。 图 1 结冰外形计算流程图 2.1 空气流场计算 本文将采用FLUENT计算空气绕机翼运动的外流场，由于本文假设的结冰部分发生在靠近桨根部分，空气速度较低，使用用定常、不可压纳维－斯托克斯（N-S）方程，积分形式如下： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4） 其中为流体的瞬时密度，u、v为流场速度在两个坐标方向的分量，E是系统的总能，Q为是通过系统界面以热传导形式传递给系统的热量。 压力-速度耦合采用SIMPLE算法[5]，在中心有限体积法基础上，采用中心格式离散N-S方程。湍流模型使用Spalart-Allmaras模型。流场计算结果再作为已知条件，用于水滴运动方程的求解。 2.2 水滴运动方程求解 采用欧拉参考系下的水滴连续性方程和动量方程[6]分别为： （2-5） （2-6） 其中，水滴的容积分数，水滴的速度矢量，空气的速度矢量，K空气-水滴交换系数: （2-7） 公式中：空气动力粘度，水滴直径，阻力函数,采用Schiller – Naumann模型时： （2-8） 其中，水滴阻力系数：