大涵道比涡扇发动机部件表面结冰粘附特性及冰聚集特性的研究

This project primarily investigates the fundamental theory which concerns the icing and de-icing processes of a high bypass turbofan engine. Both the theory analysis and the experiment analysis method will be applied to study the characteristics of freezing adhesion, ice accretion, and the shedding process. This project will also carry out the researches to understand the physics of the flow and heat transfer involved when the ice crystal is absorbed into a turbofan engine and its' melting, reattachment, re-freezing, and accretion process. The proposed studies also include determine the influence factors of adhesion by establishing the mathematical models of adhesion characteristics between ice and different materials; design the experiment method to study the characteristic of ice freezing adhesion and shedding on the inlet cone, fan blade, and the strut of a turbofan engine, the experiment results will provide a solid basis for the validation and the verification for the numerical tools we will develop, and to improve the accuracy of computational models we will apply. The computation mode of the flow and heat transfer of ice crystal melting and refreezing process will be also established by using both the experimental methods and the theory analysis. The research results will provide solid basis theoretical supports for the anti-icing system design of a high bypass turbofan and for the airworthiness certification; it has broad application prospects on engineering application.

本研究项目主要针对目前大涵道比涡扇发动机的结冰、防冰机理来开展相应的基础理论研究工作。项目以理论分析和实验研究相结合的方法开展关于冰与部件表面的冻结粘附特性、冰的聚集特性和脱离特性研究；开展冰晶吸入发动机后在其内涵部件融化、再附、冻结、聚集过程所涉及的流动传热问题研究。通过研究建立结冰部件表面冰与材料之间冻结粘附特性数学模型，确定影响冰与材料冻结粘附力的影响因素；建立针对大涵道发动机进气锥、风扇叶片以及支板等部件的结冰冻结粘附及分离特性的试验方法，开展相应的部件冰聚集脱离特性试验研究，为数值模拟计算提供验证；设计冰晶在发动机内部部件表面融化、再冻结过程的流动传热试验方法，再结合实验和理论分析来探索冰晶结冰的流动传热机理。研究成果将为大涵道涡扇发动机防冰系统的设计和适航认证提供基础理论支持，具备广阔工程应用前景。

项目针对大涵道比涡扇发动机进气部件结冰、防冰过程中所涉及的粘附特性和冰聚集的基础应用理论方面开展了模型建立和试验研究工作。采用理论分析和实验研究的方法开展了冰与部件表面的冻结粘附特性、冰的聚集特性和脱离特性的研究，建立了相应的数值计算模型和冰粘附特性实验数据库；项目开展了冰晶在发动机内部流道中的运动轨迹，以及融化、冻结和聚集过程中所涉及到的相变流动传热问题；在理论和试验研究的基础上建立了结冰部件表面冰与材料之间粘附特性的数学模型，试验研究了影响冰与材料粘附力的影响因素；发展了针对大涵道发动机进气帽罩、风扇叶片以及支板等部件的结冰机理试验方法以及结冰粘附、分离特性的试验方法，建立了发动机进气部件的冰聚集脱离特性试验方法。试验研究为数值模拟计算及数理模型的发展提供了依据，理论分析和数值模拟研究为实验方法的建立给出了理论指导，项目建立的冰晶在发动机内部部件表面融化、再冻结过程的流动传热试验方法，提高了冰晶结冰的流动传热机理研究水平和手段。项目研究成果为大涵道涡扇发动机防冰系统的设计和适航认证提供了重要的基础理论，将在大涵道发动机进气防冰系统研制的工程应用中发挥重要作用。