徐佳佳
【摘 要】在防冰系统设计时，通常使用防冰表面温度作为性能指标。对于湿蒸发的防冰系统，表面温度衡量指标无法直观的表达防冰表面未冻结水的溢流情况。本文在使用防冰表面温度作为一般性能指标的基础上，采用溢流冰尺寸作为短舱防冰系统性能另一指标的评估方法，并根据发动机实际吞冰能力和发动机尺寸结构将结冰量等效为结冰厚度，同时给出溢流冰厚度的计算算例。
【关键词】民用飞机；发动机防冰；溢流冰；吞冰能力
0 引言
由于高空云层中过冷水滴的存在，飞机穿过云层时，迎面表面可能会产生结冰危及飞行安全[1]。因此民用飞机都配备防冰系统，对于发动机短舱防冰，一般使用发动机中压压气机引气对短舱前缘加热达到防冰目的。
在防冰系统设计时，通常使用防冰表面温度作为性能指标。通过仿真计算出CCAR25部附录C确定的连续和间断的最大结冰状态下防冰表面温度，判断防冰表面温度是否高于冰点。现代民用飞机大多采用高涵道比的涡轮风扇发动机，该类发动机在设计时均考虑了一定的吞冰能力。因此对于发动机短舱防冰系统，可以设计为湿蒸发系统，即撞击水在防护表面未被完全蒸发，允许产生溢流冰的情况。
对于湿蒸发的防冰系统，传统的表面温度衡量指标无法直觀的表达防冰表面未冻结水的溢流情况。本文在使用防冰表面温度作为一般性能指标的基础上，采用溢流冰尺寸作为短舱防冰系统性能另一指标的评估方法，并根据发动机实际吞冰能力和发动机尺寸结构将结冰量等效为结冰厚度，同时给出溢流冰厚度的计算算例。
1 适航条款分析
适航条款 CCAR 33.77（e）（1）关于发动机吞冰能力试验使用冰块尺寸的规定为[2]：冰的数量应是由于滞后2分钟开启防冰系统而在典型的进气道整流罩和发动机正面积聚的最多数量的冰；或者使用质量和厚度与该发动机的尺寸可比拟的一块冰。
FAA对于发动机吞冰能力试验中应选用的最小冰块尺寸作出了建议[3]，见表1。
2 防冰表面溢流计算模型
某型民用飞机装备的发动机进气道截面面积约为2000 sq inch，依据表1的建议，进气道截面积介于700～2800 sq inch，利用插值方法估算出吞冰能力试验用地冰块尺寸为12inch×6.67inch×0.32inch，重量为18磅。
和发动机吞冰试验使用的冰块尺寸保持一致，以0.32inch作为短舱防冰最大溢流冰限制尺寸，同时作为防冰性能的考核指标。
在性能计算时，考虑到未冻结的水在表面溢流的主要驱动力是气流的剪切力，选用三维壁面上的剪切力方向来描述液态水的溢流方向，根据剪切力方向与控制体周向面的底边长度来进行溢流水量的分配。
因为性能计算是基于稳态的传热传质模拟，以防护区最后一层网格流出水量作为该控制体处的溢流水量，再对0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、360°截面处取±22.5°的平均值输出作为该截面的总溢流水量。该型号发动机共有24个风扇叶片，每个叶片的最大吞冰体积为（12inch×6.67inch×0.32inch）/24，每个截面对应3个叶片即每个截面的最大吞冰体积为（12inch×6.67inch×0.32inch）/8，再结合发动机实际尺寸测量出每个截面±22.5°的弧长和溢流区长度，即可计算出每个截面的溢流冰厚度。3 防冰表面溢流结冰厚度计算利用商业软件FLUENT自编程建立三维发动机性能计算模型，在某个典型严酷工况下发动机防冰表面的溢流水分布情况见图1。
3 总结
本文在结合传统防冰表面温度的性能指标的基础上，提出了一种利用溢流水尺寸作为发动机防冰性能评判的指标。根据发动机实际吞冰能力和发动机尺寸结构将结冰量等效为结冰厚度， 同时建立计算模型，利用CFD方法对某典型工况下发动机防冰表面溢流结冰厚度进行了计算。
【参考文献】
[1]裘燮纲，韩凤华.飞机防冰系统[M].航空专业教材编审组出版，1985.6.
[2]CCAR 33-R1航空发动机适航规定[S].中国：中国民用航空局，2002.
[3]Proposed Rules. Federal Register， Vol. 75， No. 124， June 29， 2010.
[责任编辑：朱丽娜]endprint
