基于CCAR-29附錄C的旋翼結冰特性研究

曹普孫，張 威，胡 偶

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機飛行遇到云層結冰環(huán)境時，旋翼結冰嚴重影響槳葉翼型的氣動效率，旋翼升力下降，需用功率增加。國內外，最初開展結冰研究是在固定翼飛機[1-2]。直升機旋翼結冰不同于固定翼，其槳葉弦長短、厚度薄，結冰范圍相對量大，對氣動效率影響更敏感。旋翼沿槳葉展向各翼型剖面攻角、馬赫數(shù)不同，結冰環(huán)境差異性大，槳葉易結混合冰型(包括霜冰和光冰)，如圖1。旋翼結冰嚴重的話，直接影響直升機飛行安全。因此，開展直升機旋翼結冰特性研究顯得尤為重要。

目前，槳葉結冰研究手段有飛行試驗、冰風洞試驗和數(shù)值模擬。飛行試驗包括真實結冰條件和人工結冰條件。真實結冰條件對自然結冰環(huán)境依賴性大，不能準確分析結冰環(huán)境(液態(tài)水含量、水滴直徑等)對直升機結冰的影響；人工結冰條件主要是通過噴霧機或噴灑塔制造需要的結冰環(huán)境。冰風洞試驗包二維翼型結冰試驗和模型旋翼三維結冰。相對于飛行試驗、冰風洞試驗，結冰數(shù)值模擬成本小，模擬范圍廣。結冰數(shù)值模擬是預測結冰條件下的流場特性、水滴撞擊特性、熱傳導過程的模擬，結冰增長過程模擬。20世紀50年代Toylor等人建立了水滴軌跡的數(shù)學模型，各國逐步改進了撞擊特性、粘性效應等結冰問題的計算方法。

圖1 槳葉結冰

結冰數(shù)值模擬有翼型二維結冰、槳葉三維結冰。槳葉結冰計算，可以確定旋翼的結冰嚴酷程度和槳葉結冰范圍，是旋翼槳葉防/除冰系統(tǒng)設計的重要輸入依據(jù)。

本文采用旋翼CFD/CSD方法配平計算得出槳葉氣動環(huán)境，通過等效槳葉二維流場，模擬槳葉的結冰特性?；贑CAR-29部附錄C結冰包線，重點研究直升機旋翼的結冰特性，包括：水滴直徑、液態(tài)水含量、溫度等參數(shù)對槳葉結冰的影響性，以及槳葉結冰后對旋翼性能的影響性。

1 分析方法

本文采用基于直升機渦流理論建立的旋翼系統(tǒng)飛行動力學模型，計算初始旋翼氣動特性。考慮渦流理論的數(shù)值求解主要是采用升力線或升力面方法，無法精確模擬槳葉的三維效應，本文采用CFD/CSD耦合方法，開展高精度的旋翼槳葉氣動特性和結構響應數(shù)值模擬研究。

旋翼CSD/CFD耦合方法計算過程：首先基于飛行動力學模型進行旋翼配平計算，得到槳葉運動和載荷；槳葉運動作為CFD計算輸入，進行CFD仿真計算，得到槳葉CFD載荷；通過旋翼配平計算的載荷和CFD計算的載荷，得到氣動載荷增量，作為下一輪配平計算輸入條件，反復迭代至載荷增量為收斂小量，如圖2。

圖2 旋翼CSD/CFD耦合

旋翼旋轉過程中，槳葉氣動環(huán)境處于周期性變化，槳葉的結冰輸入無法準確模擬?；跇~三維流場環(huán)境，通過等效槳葉二維流場輸入條件，包括來流速度和氣動攻角，根據(jù)文獻[4]的方法，假定旋翼槳葉各剖面翼型段無展向流，二維自由來流馬赫數(shù)為：

(1)

通過等效槳葉各剖面的二維翼型流場條件，分析結冰環(huán)境下槳葉的結冰特性。根據(jù)結冰情況，分析槳葉結冰對直升機旋翼性能的影響。

2 結冰特性分析

基于旋翼氣動環(huán)境等效的槳葉剖面二維流場求解輸入條件，采用Spalart-Allmaras湍流模型求解結冰流場環(huán)境，翼型表面水滴撞擊采用歐拉兩相流法，水滴連續(xù)方程和動量方程分別為：

(2)

(3)

水滴收集效率為描述水滴撞擊和影響結冰惡劣情況的重要參數(shù)。水滴收集率的定義為：

(4)

其中，LWC為液態(tài)水含量，u為水滴速度，us和ρs分別為翼型表面的水滴法向速度和水滴密度。

某直升機飛行時，槳葉0.3R、0.5R、0.7R和0.9R剖面對應馬赫數(shù)0.27、0.32、0.45和0.58，結冰計算條件：環(huán)境溫度-5℃、水滴直徑MVD20μm。圖3為各剖面水滴收集系數(shù)，可以看出：水滴主要附著在槳葉前沿，且翼型下表面水滴分布范圍明顯大于上表面。這是因為直升機飛行時，需槳葉提供升力，翼型氣動攻角為提供升力的正攻角；隨著來流速度的增加，水滴收集系數(shù)峰值相應增加，0.5R至0.9R剖面水滴分布較為類似，峰值在0.7R左右。

圖3 水滴收集系數(shù)

2.1 水滴直徑對槳葉水滴收集率的影響

本節(jié)主要根據(jù)CCAR-29部附錄C的結冰包線，分析旋翼槳葉的水滴撞擊和結冰。影響直升機旋翼槳葉水滴收集率的主要參數(shù)有槳葉弦長、氣動攻角、來流速度和水滴直徑(或液態(tài)水含量)。槳葉氣動攻角和來流速度主要由直升機的飛行重量、飛行速度決定。因此，本文首先分析水滴直徑對旋翼槳葉收集率的影響，得出直升機飛行時最大收集率對應的水滴直徑，它直接影響旋翼的結冰增長情況，這也是旋翼防/除冰系統(tǒng)設計重要的設計輸入?yún)?shù)。

隨著水滴直徑的增加，水滴收集系數(shù)增加。由于水滴的液態(tài)水含量隨著水滴直徑的增加而減小，所以槳葉各剖面的水滴收集率最佳所對應的水滴直徑不一定是最大的。圖4為基于最大連續(xù)結冰條件(Continuous Maximum (CM) icing conditions)各剖面的水滴收集率隨水滴直徑的變化曲線，從結果可以看出：槳葉各剖面的水滴收集率與水滴直徑大小呈拋物線關系，水滴收集率(water catch rate)最佳對應的水滴直徑主要分布在16μm至22μm，槳葉內段0.3R附近是22μm，槳葉升力段在20μm左右，槳尖段是16μm。圖5為基于最大間斷結冰條件(Intermittent Maximum, (IM)conditions)各剖面的水滴收集率隨水滴直徑的變化曲線，從結果可以看出：槳葉水滴收集率最佳的水滴直徑集中在19μm至20μm。

圖4 水滴收集率曲線(最大連續(xù)結冰條件)

圖5 水滴收集率曲線(最大間斷結冰條件)

2.2 環(huán)境溫度對槳葉結冰的影響

基于2.1節(jié)分析的水滴直徑與水滴收集率的變化規(guī)律，選取水滴直徑20μm作為槳葉結冰環(huán)境基準計算條件，分析直升機飛行時環(huán)境溫度變化(-5℃至-30℃)對旋翼槳葉結冰的影響，見圖6。從圖6可以看出：隨著環(huán)境溫度的降低，槳葉冰型變化規(guī)律從光滑冰-尖角冰-雙尖冰-霜冰變化，槳葉各個剖面基本是此規(guī)律；在槳葉外段形成的更多的是光滑冰；在-5℃、0.9R槳葉段沒有結冰，主要是因為槳葉外段馬赫數(shù)大，動能引起熱量交換快；低溫-30℃槳葉結冰主要在翼型前沿，冰型相對光滑，隨著展向位置增加結冰厚度增加；在-10℃至-15℃環(huán)境下，槳葉表面形成的多是不規(guī)則冰型，特別是槳葉外段0.9R，在-15℃下形成很大的雙尖冰，嚴重影響直升機的飛行性能和飛行品質。

2.3 槳葉結冰對直升機旋翼性能的影響

本節(jié)主要分析槳葉結冰厚度6.4mm對旋翼性能、升阻比的影響。圖7-圖9給出了旋翼懸停狀態(tài)計算的懸停效率曲線、拉力系數(shù)-扭矩系數(shù)曲線和升阻比?？梢钥闯觯航Y冰后懸停效率相比未結冰狀態(tài)有明顯下降，大升力段懸停效率急劇下降，提距升力沒有增加，扭矩反而增加；最大懸停效率下降6.1%。前飛時，隨著前進比增加，升阻比增加，但結冰狀態(tài)下升阻比增加并不明顯；相比未結冰狀態(tài)，結冰后，旋翼阻力有明顯增加，前進比0.1時阻力增加13.7%，前進比0.15時阻力增加19.8% ，前進比0.2時阻力增加34.2%。

圖6 槳葉不同溫度下結冰(MVD 20μm)

圖7 旋翼懸停效率曲線

圖8 旋翼拉力系數(shù)-扭矩系數(shù)曲線

圖9 旋翼前進比-升阻比曲線

3 結論

本文采用旋翼CSD/CFD耦合方法，配平計算槳葉氣動環(huán)境，通過等效槳葉各剖面的二維翼型流場條件，分析了基于附錄C結冰包線的旋翼槳葉結冰特性，包括水滴直徑對槳葉水滴收集率的影響、環(huán)境溫度對槳葉結冰的影響以及槳葉結冰對旋翼性能的影響。計算分析表明：

1)槳葉各剖面的水滴收集率與水滴直徑大小呈拋物線關系。最大連續(xù)結冰時，槳葉最佳收集率對應水滴直徑16μm至22μm；最大間斷結冰時，槳葉最佳收集率對應水滴直徑19μm至20μm。在旋翼防/除冰設計中，這是旋翼槳葉除冰范圍設計的重要輸入條件。

2)隨著環(huán)境溫度的降低，槳葉冰型變化規(guī)律從光滑冰-尖角冰-雙尖冰-霜冰。在-10℃至-15℃環(huán)境下，槳葉結冰多為不規(guī)則。隨著槳葉展向位置增加，結冰越來越不規(guī)則。旋翼如無防除冰功能，槳葉外段結冰對旋翼氣動特性影響尤為突出。

3)槳葉結冰后旋翼性能有明顯下降，前飛時升阻比下降尤為明顯。