直升机旋翼积冰的数值模拟

钟 国 曹义华 赵 明

（北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191）

直升机旋翼积冰的数值模拟

钟 国 曹义华 赵 明

（北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191）

为研究直升机旋翼桨叶积冰问题，通过对积冰形成机理和直升机飞行原理的分析，建立了基于CFD（Computational Fluid Dynamics）技术的直升机旋翼桨叶结冰预测的理论模型;采用欧拉法求解水滴控制方程，在经典Messinger模型的基础上提出了积冰表面质能平衡的改进模型;以UH-60型直升机和CH-47型直升机为样机，具体分析了积冰条件下直升机桨叶冰形预测的方法，为进一步研究直升机结冰后的飞行动力学问题及防除冰系统的设计奠定了基础，对提高直升机飞行安全性具有积极意义.

旋翼结冰;积冰预测;数值模拟;热力学模型

直升机是一种依靠旋翼控制水平和垂直方向运动的特种飞行器，广泛应用于军事、民用领域的多个方向.直升机多在6 000 m以下的低空飞行，常遇到雨雪冰霜等恶劣天气，当大气中的液态水含量较高时，会使直升机发生结冰现象并导致安全隐患［1］.

相较于固定翼飞机，直升机在飞行时更容易遭遇结冰状况，且其对飞行品质的影响更为突出，尤其是旋翼桨叶的结冰会导致飞行阻力增加，需用功率增加，并引起桨叶失速、空速受限、续航时间和航程显著下降等问题.

我国对飞行器结冰问题的研究相对落后，尤其在数值模拟方面的探索还处于初级阶段.从20世纪90年代开始，陆续有国内学者发表了关于飞机部件水滴撞击特性计算、机翼表面霜冰的数值模拟、机翼表面明冰的数值模拟等研究成果［2－5］.但这些研究多限于固定翼飞机，在直升机结冰预测方面国内目前仍较少有研究涉及.

本文的主要内容是通过对翼面结冰理论的探索和分析，预测直升机旋翼桨叶结冰的位置和形状，同时考察径向和周向位置对结冰的影响.具体包括:分析直升机旋翼桨叶的运动状态，模拟旋翼流场，计算桨叶翼面的水滴收集特性，在经典Messinger模型的基础上提出结冰表面质能平衡的改进模型，预测不同径向和周向位置下旋翼桨叶翼型的积冰范围和积冰形状，进一步探讨旋翼积冰对气动特性的影响.

1 旋翼桨叶结冰的数值模拟

1.1 直升机旋翼桨叶结冰预测模型

本文基于 CFD（ComputationalFluid Dynamics）技术建立旋翼结冰理论模型，采用二维翼型结冰的数值模拟方法，将旋翼桨盘沿周向和径向等分为多个计算区域，均化处理每个区域内的来流迎角和速度，计算结冰前桨叶翼型的空气流场和水滴撞击特性，应用改进的结冰热力学模型模拟桨叶翼型在每个计算区域内的结冰外形，整体考察全部计算区域，即可得到直升机旋翼的结冰状况.图1为直升机旋翼结冰数值模拟流程图.

图1 直升机旋翼桨叶结冰数值模拟流程图

1.2 积冰预测的热力学模型

本文基于经典Messinger模型［6］提出了改进方案，在结冰表面的每个控制体内建立质量和能量守恒方程，通过联立求解该平衡方程组获得每个结冰控制体的积冰量.改进后的积冰热力学模型（如图2所示）可表示为如下形式:

通过联立求解式（1）、式（2）所构成的方程组即可获得每个控制体的结冰量，进而实现对翼面结冰外形的预测.

图2 改进后的积冰热力学模型

改进模型的解析方法详见文献［7］.从2.1.1节的算例分析中可以看出，计算所得的数值结果与实验数据有较好的吻合效果.

我和阿花去了中汕厂，直闯总经理室。中汕厂的老板江锋挺友善，非常客气地接待了我们。本以为江老板也像林老板那么老气横秋老奸巨滑呢，没想到江老板才三十来岁，仪表堂堂，高大挺拔，谈吐不俗，侃侃道来，讲商场上的道理，讲做人与做事的道理，哲理性很强。江老板说得冠冕堂皇，中汕厂中止和你们合作，不是慑服于谁，而是出于对合作单位的尊重，我们可以跟你们合作，给你们订单，但前提是，你们必须修复和大发厂的关系，否则我们只能求大舍小。

2 算例分析

2.1 旋翼桨叶翼型的积冰预测

2.1.1 NACA0012 翼型的积冰预测

以NACA0012翼型为例，采用1.2节所述的结冰模拟方法对翼型表面的结冰外形进行数值模拟，并与已有实验数据［8］进行对比，从而验证计算的准确性.计算条件如表1所示.

表1 NACA0012翼型翼面积冰环境

环境温度T=－3.9℃时的结冰外形如图3所示.计算结果显示，翼型驻点附近结冰量较少，而在驻点两侧的结冰量较多，并形成了两个冰角.这主要是由于撞击到翼型表面的过冷水滴在撞击处部分发生冻结，未冻结的水则沿着翼型表面分别向上下翼面流动，并在流动过程中逐渐冻结.本文计算所得的结冰外形和范围同实验数据基本吻合，该算法具有良好的准确性.

2.1.2 NLF0414 翼型的积冰预测

以弦长为0.9 m的NLF0414翼型为例，采用1.2节所述的结冰模拟方法对翼型表面的结冰外形进行数值模拟，并与已有实验数据［9］进行对比，从而验证本文算法对于直升机旋翼桨叶翼型的适用性.计算条件如表2和表3所示.

图3 －3.9℃时的积冰外形

表2NLF0414翼型翼面积冰环境（LWC不同）

图4所示为不同液态水含量下的积冰外形.可见，在其他条件相同的情况下，液态水含量较小时，积冰量较小，如图4a所示;反之，液态水含量较大时，积冰量较大，且明冰所占的比重也有所增大，如图4b所示.

图4 不同液态水含量下的积冰外形

图5所示为不同积冰时间下的积冰外形.可见，随着积冰时间的增加，积冰量不断积累，明冰的特征也随之增强.如图5a所示，积冰时间为6 min，冰形呈现混合冰的特征;如图5b所示，积冰时间为22.5 min，冰形出现羊角形，呈现典型的明冰特征.

表3 NLF0414翼面积冰环境（τ不同）

图5 不同积冰时间下的积冰外形

2.2 UH-60直升机前旋翼桨叶的积冰预测

以UH-60型直升机前旋翼为例，采用1.1中提出的直升机旋翼桨叶积冰模型，以及1.2节所述积冰模拟方法对其前旋翼桨叶的积冰外形进行数值模拟.模拟条件如表4和表5所示.

表4 UH-60直升机旋翼桨叶参数

表5 UH-60直升机翼面积冰环境

2.2.1 旋翼桨叶各剖面的飞行状态

将旋翼桨盘沿径向取5个位置点（0.25R，0.43R，0.61R，0.79R，0.97R），沿周向分为 12 个计算区域 （0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，330°），并作均化处理.这里主要讨论悬停状态下的情况.

根据涡流理论可求得，3种情况下各剖面的迎角和马赫数，如表6所示.

表6 悬停时UH-60型直升机桨叶各剖面的飞行状态

2.2.2 悬停状态下的冰形预测

图6所示为悬停状态下旋翼桨叶的冰形预测结果.

图6 UH-60型直升机悬停时的桨叶冰形

2.3 CH-47直升机前旋翼桨叶的积冰预测

以CH-47型直升机前旋翼为例，采用1.1节提出的直升机旋翼桨叶积冰模型，以及1.2节所述积冰模拟方法对其前旋翼桨叶的积冰外形进行数值模拟.模拟条件如表6和表7所示.

表6 CH-47直升机旋翼桨叶参数

表7 CH-47直升机翼面积冰环境

2.3.1 旋翼桨叶各剖面的飞行状态

将旋翼桨盘沿径向取5个位置点（0.25R，0.43R，0.61R，0.79R，0.97R），沿周向分为 12 个计算区域 （0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，330°），并作均化处理.这里主要讨论悬停和前飞状态下90°方位角、270°方位角，共3种情况.

根据涡流理论可求得，3种情况下各剖面的迎角和马赫数，如表8所示.

表8 CH-47直升机桨叶各剖面的飞行状态

2.3.2 悬停状态下的冰形预测

图7所示为悬停状态下旋翼桨叶的冰形预测结果.

图7 悬停时的桨叶冰形

2.3.3 前飞状态下的冰形预测

图8所示为前飞状态下90°方位角旋翼桨叶的冰形预测结果.

图9所示为前飞状态下270°方位角旋翼桨叶的冰形预测结果.

2.3.4 积冰预测结果分析

由直升机飞行原理可知，旋翼以某一角速度旋转，沿翼展方向的切向线速度发生变化，桨尖处最大，桨根处则最小，如表8所示.由数值模拟的冰形结果可以看出，在其条件不变时，相对气流速度越大，积冰越严重，如图7～图9所示.在实际情况中，由于桨叶转动产生的离心力导致溢流水向桨尖方向流动，翼尖的积冰情况可能更为严重.而桨尖的气动性能对直升机整体性能的影响更为严重，这就加剧了积冰问题的危害.

图8 前飞时90°方位角的桨叶冰形

图9 前飞时270°方位角的桨叶冰形

由于直升机旋翼的复合运动，不仅径向的积冰状况不同，不同方位角上桨叶翼型的迎角和速度也不同，于是桨叶沿周向的积冰量和积冰位置会有很大不同.这一点在对比前飞90°和270°两种情况时可以发现，如表8、图8、图9所示.前飞90°时，桨叶迎角较小，积冰位置更靠近前缘处;前飞270°时，桨叶迎角较大，积冰位置更靠近下翼面.积冰位置的差异使得直升机旋翼机轴在不平衡的状态下运转，加速了机件的磨损，降低了工作的可靠性.

通过对流场的分析可得出旋翼桨叶各剖面积冰前后升阻系数的变化情况，如表9所示.

表9 桨叶各剖面积冰前后的升阻系数变化情况

由表9可以看出，积冰破坏了旋翼桨叶的气动外形，使得桨叶翼型升力减小，阻力增加，气动性能严重恶化.其中桨尖部分由于速度较大，积冰现象最为严重，气动性能的变化也最大.

3 结论

为研究直升机旋翼桨叶积冰问题，通过对积冰形成机理和直升机飞行原理的分析，建立了基于CFD技术的直升机旋翼桨叶积冰预测的理论模型;采用欧拉法求解水滴控制方程，提出了基于经典Messinger模型的积冰表面传质传热的改进模型.

通过对UH-60和CH-47型直升机前旋翼积冰问题的研究，探讨了直升机旋翼积冰模拟的方法，为进一步研究直升机积冰后的飞行动力学问题及防除冰系统的设计奠定了基础.

（References）

［1］李国知，胡利，张瑞民，等.直升机旋翼桨叶翼型积冰的数值模拟［J］.直升机技术，2008，155（3）:78－81

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Yi Xian，ZhuGuolin，WangKaichun，etal.Numerically simulating of ice accretion on airfoil［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2004，22（4）:490－493（in Chinese）

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Chen Weijian，Zhang Dalin.Numerical simulation of glaze ice accretion process［J］.Journal of Aerospace Power，2005，20（3）:472－476（in Chinese）

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［7］钟国，曹义华.多段翼积冰的数值模拟及防冰预测［J］.北京航空航天大学学报，2011，37（1）:36－40

Zhong Guo，Cao Yihua.Numerical simulation of ice auretion ou multiple element airfoil and prediction on anti-ice situation［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2011，37（1）:36－40（in Chinese）

［8］Shin J，Bond T H.Repeatability of ice shapes in the NASA lewis icing research tunnel［J］.Journal of Aircraft，1994，31（5）:1057－1063

［9］Flemming R J，Lednicer D A.High speed ice accretion on rotorcraft airfoils［R］.NASA CR-3910，1985

Numerical simulation of ice accretion on helicopter rotor

Zhong Guo Cao Yihua Zhao Ming
（School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

In order to study the prediction of ice accretion on helicopter rotor，a theoretical rotor icing model was founded based on the computational fluid dynamics（CFD）technique by analyzing the theory of ice accretion and helicopter flight.Euler two-phase flow theory was used in solving the governing equations corresponding to droplets，and a modified model of the mass and heat transfer on ice surface was proposed based on the classical Messinger model.The method of prediction of ice shape on rotor was analyzed detailedly by using UH-60 and CH-47 as examples，and they can lay the foundation of the research about the helicopter dynamics in the icing condition and the design of anti/de-ice system.The result shows that the method has positive significance of improving the flight safety performance of helicopter.

rotor icing;prediction of ice accretion;numerical simulation;thermodynamic model

V 221.5

A

1001-5965（2012）03-0330-05

2010-11-01;< class="emphasis_bold">网络出版时间:

时间:2012-03-20 10:38

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120320.1038.016.html

航空科学基金资助项目（2009ZA51007）

钟 国（1985－），女，天津人，研究实习员，zhongguo_ferrari@yahoo.com.cn.

（编 辑:李 晶）