涡扇发动机吸入冰晶的融化冻结机理分析及数值模拟

The ice crystal ingested by engine at high altitudes will partially melt, stick, and accrete on the compressor components. The result will lead to engine performance degrading, engine roll back, compressor surge and stall, and flameout of the combustor. This project primarily investigates the fundamental theory which concerns the prediction and mechanism analysis of turbofan engine icing with ice crystal ingestion. Both the theory analysis and the experiment analysis methods will be applied. The physics models of the ice crystal trajectory in engine passage, the heat transfer between ice crystal and air, and ice crystal impingement will be established. This project will also carry out the researches to understand the physics processes of the ice crystal melting, reattachment, re-freezing, accretion, and shedding. The proposed studies also include the design of the experiment method to study the characteristic of ice crystal freezing and shedding on the blade surface.The experiment results will provide data for the validation and the verification of the numerical method, and improve the accuracy of computational models. The numerical code of ice crystal melting and refreezing process will be also established. The research results will provide theory support for the anti-icing design of a turbofan engine.

高空云层冰晶被涡扇发动机吸入后，会在发动机内流通道部分融化，部分融化的冰晶-水混合相粒子撞击压气机叶片后粘附冻结会引起发动机推力损失，甚至熄火，冰晶在涡扇发动机内部的结冰问题近年来引起研究人员普遍关注。本项目通过理论分析、数值模拟和实验研究，分析吸入冰晶在涡扇发动机内部的流动换热行为机理，建立冰晶在压气机通道内的运动轨迹计算、冰晶与压气机内部气流的流动换热计算模型；研究冰晶-水混合相粒子与压气机部件的撞击过程所涉及的力学及热学行为，构建冰晶-水混合相粒子撞击的数学模型；分析冰晶-水混合相在部件表面的冻结粘附过程及分离过程存在的流动传热问题，构建冰晶结冰及分离数值模拟方法，开发冰晶-水混合相在压气机部件表面积冰及分离的数值计算程序。项目研究可以提高对涡扇发动机进气流道吸入冰晶结冰机理的认识，建立涡扇发动机吸入冰晶粘附冻结数值模拟分析手段，提高涡扇发动机冰晶冻结防护设计水平。

随着大型涡扇发动机性能的逐渐提高，发动机重量降低，结构尺寸减小，冰晶在涡扇发动机内部结冰进而危害发动机安全运行的问题逐渐引起重视。高空云层的冰晶被涡扇发动机吸入后，会在发动机内流通道内发生复杂的融化、撞击、冻结相变物理过程，部分融化的冰晶-水混合相粒子撞击压气机叶片后粘附冻结会引起发动机推力损失，甚至熄火，对飞行安全造成严重危害。项目通过理论分析、数值模拟和实验研究，系统地研究了涡扇发动机吸入冰晶在其内部的流动换热行为机理，建立了冰晶在压气机通道内的运动轨迹计算、冰晶与压气机内部气流的流动换热计算模型；研究了冰晶-水混合相粒子与压气机部件的撞击过程所涉及的力学及热学行为，构建了冰晶-水混合相粒子撞击的数学模型；研究了冰晶-水混合相在部件表面的冻结粘附过程存在的流动传热问题，构建了完整的冰晶吸入、运动、融化、撞击及冻结结冰的数值模型及计算方法，开发了冰晶-水混合相在压气机部件表面积冰及分离的数值计算程序。所开发的程序可以结合发动机飞行循环分析程序和发动机内流流场参数总体仿真程序开展三维真实发动机压气机叶片通道内冰晶-水混合相粒子轨迹及撞击计算、冰晶-水混合相粘附冻结热平衡计算和吸入冰晶的积冰聚集特性及分离特性计算，形成了完整的大涵道涡扇发动机内部冰晶融化冻结预测分析软件。项目研究提高了涡扇发动机进气流道吸入冰晶结冰机理的认识和涡扇发动机冰晶冻结预测防护水平。