第12卷第6期 空军工程大学学报(自然科学版) Vol 12 No 6 2011年12月 JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) Dec 2011 飞机发动机结冰研究进展 邢玉明,刘海丽,徐柳青 (北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191) 摘要针对飞机发动机防/除冰技术的进展,分析了美国AEDC和意大利CIRA冰风洞的发动机 结冰试验概况,综述了我国冰风洞建设及结冰试验的现状;对冰风洞试验的重要参数液态水含 量(LwC)和液滴粒径(MwD)的测量研究进行了探讨;从流场计算、水滴撞击特性计算、模型表 面能量平衡计算、冰形计算4个方面总结了结冰模拟方法的进展,并比较了不同方法的优缺点。 最后针对当前的研究现状,提出了发动机结冰研究进一步的发展趋势。 关键词发动机;冰风洞;测量技术;数值计算 DOI10.3969/jiss.1009-3516.2011.06.002 中图分类号V2871文献标识码A文章编号100-3516(2011)06-0008-05 飞机在有过冷水滴冰晶及雪花的大气层中飞行时,发动机的零部件、特别是进气部件前缘很可能发生 结冰现象。结冰对发动机的正常工作是极其有害的,发动机进气系统结冰会改变气流通道的形状,减少发动 机进气面积,甚至使气流分离,引起压气机不稳定工作,在发动机和飞机振动的作用下,结冰层可能会脱落进 人入压气机而损伤发动机零部件,造成机械事故;压气机转子叶片结冰会改变叶形而使叶片偏离设计状态工 作,导致气流分离而使压气机失速,甚至会使发动机熄火,引起飞行事故。因此,对飞机发动机防/除冰技 术的研究是相当必要的,结冰机理和飞机的防/除冰系统一直是国内外飞机系统设计的重要研究课题。 1冰风洞试验 对飞机发动机结冰机理和防(除)冰技术的研究包括数学仿真和飞机结冰及防冰系统试验研究。在飞 机/发动机定型之前,必须进行防冰系统的结冰试验。地基试验成为研究飞机在结冰条件下飞行性能的主要 手段,其中,最普遍应用的地基试验设备就是地面冰风洞。纵观世界各国,凡有能力独立研发飞行器的国家, 大多数拥有研究、评估飞行器结冰和防/除冰系统的试验研究平台——冰风洞。 美国、加拿大、法国、英国、意大利等国家都拥有技术设备比较成熟的冰风洞,并具有各自不同的特色,但 能够进行高空状态下的发动机整机结冰试验的冰风洞只有少数几座,如美国阿诺德工程发展中心AEDC ( Armold Engineering Development Center)冰风洞和意大利航空航天研究中心CIRA( Italian Aerospace Research Centre)冰风洞 AEDC拥有世界上最先进的发动机整机结冰试验设备。该型试验设备有直连式和自由射流式2种布 局,直连式应用于发动机试验,自由射流式一般用于进气道试验、进气道与发动机联合试验及外空气动力试 验。AEDC有J-1、J-2和C-2共计3个试验舱。美国的C. Scott bartlet和 William j. Phares曾在AEDC 的J-2试验舱内进行了全尺寸双进气道飞机的发动机舱结冰试验,主要目的是评估结冰保护系统的效 率 CIRA冰风洞于200年建成,是一座拥有3个可更换试验段、1个开口试验段的回流式风洞,目前尚 收稿日期:2011-03-18 作者简介:邢玉明(1966-),男,山西榆次人,教授,博士生导师,主要从事飞机结冰/防冰技术、高效传热传质技术研 Dl.e-Mail:xym505@126.com第 １２ 卷第 ６ 期 空 军 工 程 大 学 学 报（自然科学版） Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．６ ２０１１ 年 １２ 月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＩＲ ＦＯＲＣＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＥＤＩＴＩＯＮ） Ｄｅｃ．２０１１ 倡栘 飞机发动机结冰研究进展 邢玉明， 刘海丽， 徐柳青 （北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 １００１９１） 摘要 针对飞机发动机防／除冰技术的进展，分析了美国 ＡＥＤＣ 和意大利 ＣＩＲＡ 冰风洞的发动机 结冰试验概况，综述了我国冰风洞建设及结冰试验的现状；对冰风洞试验的重要参数液态水含 量（ＬＷＣ）和液滴粒径（ＭＶＤ）的测量研究进行了探讨；从流场计算、水滴撞击特性计算、模型表 面能量平衡计算、冰形计算 ４ 个方面总结了结冰模拟方法的进展，并比较了不同方法的优缺点。 最后针对当前的研究现状，提出了发动机结冰研究进一步的发展趋势。 关键词 发动机；冰风洞；测量技术；数值计算 DOI １０畅３９６９ ／ｊ畅ｉｓｓｎ畅１００９ －３５１６畅２０１１畅０６畅００２ 中图分类号 Ｖ２２８畅７ ＋ １ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００９ －３５１６（２０１１）０６ －０００８ －０５ 飞机在有过冷水滴、冰晶及雪花的大气层中飞行时，发动机的零部件、特别是进气部件前缘很可能发生 结冰现象。 结冰对发动机的正常工作是极其有害的，发动机进气系统结冰会改变气流通道的形状，减少发动 机进气面积，甚至使气流分离，引起压气机不稳定工作，在发动机和飞机振动的作用下，结冰层可能会脱落进 入压气机而损伤发动机零部件，造成机械事故；压气机转子叶片结冰会改变叶形而使叶片偏离设计状态工 作，导致气流分离而使压气机失速，甚至会使发动机熄火，引起飞行事故［１］ 。 因此，对飞机发动机防／除冰技 术的研究是相当必要的，结冰机理和飞机的防／除冰系统一直是国内外飞机系统设计的重要研究课题。 １ 冰风洞试验 对飞机发动机结冰机理和防（除）冰技术的研究包括数学仿真和飞机结冰及防冰系统试验研究。 在飞 机／发动机定型之前，必须进行防冰系统的结冰试验。 地基试验成为研究飞机在结冰条件下飞行性能的主要 手段，其中，最普遍应用的地基试验设备就是地面冰风洞。 纵观世界各国，凡有能力独立研发飞行器的国家， 大多数拥有研究、评估飞行器结冰和防／除冰系统的试验研究平台———冰风洞。 美国、加拿大、法国、英国、意大利等国家都拥有技术设备比较成熟的冰风洞，并具有各自不同的特色，但 能够进行高空状态下的发动机整机结冰试验的冰风洞只有少数几座，如美国阿诺德工程发展中心 ＡＥＤＣ （Ａｒｎｏｌｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ）冰风洞和意大利航空航天研究中心 ＣＩＲＡ（Ｉｔａｌｉａｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ）冰风洞。 ＡＥＤＣ 拥有世界上最先进的发动机整机结冰试验设备。 该型试验设备有直连式和自由射流式 ２ 种布 局，直连式应用于发动机试验，自由射流式一般用于进气道试验、进气道与发动机联合试验及外空气动力试 验。 ＡＥＤＣ 有 Ｊ －１、Ｊ －２ 和 Ｃ －２ 共计 ３ 个试验舱。 美国的 Ｃ．Ｓｃｏｔｔ Ｂａｒｔｌｅｔｔ 和 Ｗｉｌｌｉａｍ Ｊ．Ｐｈａｒｅｓ 曾在 ＡＥＤＣ 的 Ｊ －２ 试验舱内进行了全尺寸双进气道飞机的发动机舱结冰试验［２］ ，主要目的是评估结冰保护系统的效 率。 ＣＩＲＡ 冰风洞于 ２００２ 年建成，是一座拥有 ３ 个可更换试验段、１ 个开口试验段的回流式风洞［３］ ，目前尚 倡 收稿日期：２０１１ －０３ －１８ 基金项目：航空科学基金资助项目（２００９１０５１０１４） 作者简介：邢玉明（１９６６ －），男，山西榆次人，教授，博士生导师，主要从事飞机结冰／防冰技术、高效传热传质技术研 究 畅Ｅ －ｍａｉｌ：ｘｙｍ５０５＠１２６．ｃｏｍ