(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111518826.3 (22)申请日 2021.12.13 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210001 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 徐超　胡娅萍　李世明　陈宁立　 张敏　 (74)专利代理 机构 杭州泓呈祥专利代理事务所 (普通合伙) 33350 代理人 王丰 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 强耦合的航空发动机进口部件热气防冰三 维数值模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种强耦合的航空发动机进 口部件热气防冰三维数值模拟方法， 涉及航空防 冰技术领域。 整个数值模拟过程包括三个模块： 部件内外空气流动 传热与固体导热的耦合计算、 部件外过冷水滴流动与撞击特性的计算、 部件防 冰表面水膜 流动传热与结冰相变的计算。 模拟流 程为： 首先进行部件内外空气流动传热与部件固 体导热的耦合计算， 获得部件外表 面的防冰加热 热流分布， 再计算过冷水滴流动和撞击特性， 获 得部件外表 面的局部水收集系数分布， 然后计算 部件防冰表面的水膜流动、 传热与结冰相变， 获 得水滴撞击和水膜传热带来的能量项， 最后以此 能量项作为部件固体的内热源， 再次进行内外空 气流动传热与固体导热的耦合计算， 获得防冰表 面温度分布。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114169077 A 2022.03.11 CN 114169077 A 1.强耦合的航空发动机进口部件热气防冰三维数值模拟方法， 其特征在于， 包括如下 步骤： S1： 根据部件外表面的几何特征和内部防冰腔的结构， 构建包含部件外冷流、 部件固体 和内部防冰腔热气流的计算域， 采用商用软件 Fluent的单相流和固体导热求解器求解外部 冷气流和内部热气流的连续方程、 动量方程和能量方程以及部件固体的导热方程， 获得空 气流场中速度、 压力等 的分布与热气对部件加 热的热流密度 同时还得到部件外表面 的对流换 热系数h、 气流剪切力矢量 等的分布； S2： 利用S1计算得到的流场中空气速度的分布， 求解过冷水滴的流动控制方程， 包括连 续方程与三个坐标 方向上的动量方程： 其中i分别取1、 2、 3， 表示坐标分量， ρw为水的密度， αw为水滴的体积分数， ua1,ua2,ua3为 空气速度在三个坐标下的分量， u1,u2,u3为水滴速度在在三个坐标下的分量， K为空气和过 冷水滴之间的动量交换系数； 采用软件Fluent的用户自定义标量(UDS)功能， 对软件进行二次开发， 添加过冷水滴的 流动控制方程并进行求 解， 获得过冷水滴在流场中速度、 体积分数的分布； 部件表面局部水收集系数的定义式为： 其中， αw为求解得到的过冷水滴的体积分数， ud,∞为来流的水滴速度， 与来流空气速度 相等， LWC是来流液态水含量， ud,normal是水滴在部件表面的法向撞击速度， 根据水滴速度以 及壁面的法向单位矢量 求得； 采用Fluent的UDM功能， 根据局部水收集系数的公式对软件进行二次开发， 求解部件表 面每个微元控制体中的水收集系数； S3： 根据S1求得的热气对部件表面的加热热流、 部件表面的对流换热系数与气流剪切 力以及S2求得的水收集系数等参数， 求解防冰表面水膜流动传热 的连续方程、 动量方程和 能量方程； 连续方程 为： 其中， Hw为水膜厚度， uw1,uw2分别为水膜在 部件外表面沿流向和横向的速度， ρice为冰的 密度， t为防冰时间； 表示单位面积上过冷水滴撞击的质量流量， 由水收集系数和来流参权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114169077 A 2数确定， 表示单位 面积上水膜蒸发的质量 流量， 代表单位面积上的结冰量； 的计算式为： 其中， ρa为空气的密度， cp,a为空气的比定压热容， Sc是施密特数， Mw为水的分子量， R为 通用气体常数； pwall、 Twall分别为微元控制体表面的饱和蒸汽 压力和温度； p∞， T∞分别为附面 层外空气的饱和蒸汽压力和温度； 水膜的动量方程 为： 其中， z表示部件表面外法向的坐标分量， 为水膜的压力梯度， 为重力加速度矢量； 动量方程的边界条件为： 其中， μ为空气的动力粘度， 水膜 外表面即z＝Hw处水膜受到气流剪切 力作用， 壁面 即z＝ 0处水膜速度为 零； 将动量方程积分， 并代入边界条件， 得到水膜速度分布为： 水膜的能量方程 为： 其中， Tw为水膜的温度； 能量方程的边界条件为： 其中， Tf为冰点温度， 代表撞击的过冷水滴带来的能量， 是水膜蒸发的热流密 度， 是水膜与空气间对流换热热流密度； 当部件表面加热不够仍结冰时， z＝0处为冰水 交界面， 其温度为冰点温度， 当部件表面仅水膜时， z＝0处即部件壁 面， 直接获得防冰热流； 各能量项的计算式为： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114169077 A 3