基于AMESim的热气防冰系统笛形管设计与仿真_张波.pdf

第 55 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.55 No.2Apr.2023南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics基于 AMESim 的热气防冰系统笛形管设计与仿真张波1，王柳1，曾腾辉1，袁波2，卜雪琴2（1.中国航空工业集团公司武汉航空仪表有限责任公司,武汉 430074；2.北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京 100191）摘要：笛形管是飞机热气防冰系统的重要组成部分，笛形管上的孔径、孔间距以及笛形管的引气入口参数决定了防冰供气流量的大小及分配，从而影响防冰性能。本文基于多学科系统建模仿真平台 AMESim，建立了笛形管流量分配仿真分析模型，对机翼热气防冰系统笛形管结构参数进行迭代设计。设计参数包括笛形管管径、喷孔孔径及孔间距等参数，最终获得了能够平衡设计状态点防冰热载荷的结构参数和引气流量分配，得到了防冰系统的引气压力制度。本文提出的基于 AMESim 的笛形管迭代设计方法可为热气防冰系统中笛形管的设计与优化提供参考。关键词：AMESim；热气防冰系统；笛形管；流量分配；引气压力制度中图分类号：V244.1 文献标志码：AA 文章编号：1005-2615（2023）02-0258-07Design and Simulation of Piccolo Tube of Hot Air Anti-icing SystemBased on AMESimZHANG Bo1，WANG Liu1，ZENG Tenghui1，YUAN Bo2，BU Xueqin2（1.Wuhan Aviation Instrument Corporation Ltd.，Aviation Industry Corporation of China，Wuhan 430074，China；2.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）Abstract:The piccolo tube is an important part of the aircraft hot air anti-icing system.The diameter and spacing of the holes on piccolo tube and the inlet pressure of hot air determine the amount and distribution of the supplied anti-icing hot air，thus affecting the anti-icing performance.Based on the multi-disciplinary system modeling and simulation platform AMESim，the flow distribution simulation model of piccolo tube is established，and the structural parameters of piccolo tube of wing hot air anti-icing system are iteratively designed.The design parameters include diameters of piccolo tube，orifice diameter and spacing.After several iterations，the values of structural parameters and bleed air flow distribution that can balance the anti-icing thermal load at the design state point are obtained.Furthermore，the pressure schedule of bleed air for the anti-icing system is determined.The proposed iterative design method of piccolo tube based on AMESim can provide reference for the design and optimization of piccolo tube in hot air anti-icing system.Key words:AMESim；hot air anti-icing system；piccolo tube；flow distribution；pressure schedule of bleed air现代大型商用运输机的机翼防冰系统多数采用热气防冰方法1-2，从发动机引入的热空气经供气管路分配到缝翼，然后从缝翼中笛形管上的喷孔喷射到蒙皮内表面，加热防冰区域，从而达到防冰的效果。对热气防冰系统的研究，目前主要包括防冰腔内部流动及与壁面的换热研究3-4和防冰系统内 外 传 热 耦 合 计 算 得 到 防 冰 表 面 温 度 和 溢 流水5-7。这些研究工作的前提是已经具备防冰系统DOI：10.16356/j.1005-2615.2023.02.011收稿日期：2022-04-02；修订日期：2022-05-31通信作者：卜雪琴，女，副教授，博士生导师，E-mail：。引用格式：张波，王柳，曾腾辉，等.基于 AMESim 的热气防冰系统笛形管设计与仿真 J.南京航空航天大学学报，2023，55（2）：258-264.ZHANG Bo，WANG Liu，ZENG Tenghui，et al.Design and simulation of piccolo tube of hot air anti-icing system based on AMESim J.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，2023，55（2）：258-264.第 2 期张波，等：基于 AMESim 的热气防冰系统笛形管设计与仿真的结构，仅对防冰系统性能的校核研究。随着中国大型飞机研制任务的发展，需要开展具有自主知识产权、自上而下的热气防冰系统设计的研究工作。热气防冰系统的关键部件是笛形管结构，因此需要对笛形管进行设计1，从而使笛形管提供的热气能量能够平衡防冰热载荷，以达到防冰目的。笛形管的设计参数主要包括笛形管的管径、热气喷口孔径、孔间距、孔角度及入口引气压力等，这些参数和热气防冰系统能够提供的热引气量以及流量分配密切相关。本文介绍了笛形管的迭代设计方法、流量分配计算模型以及基于 AMESim 的热引气流量分配计算方法。针对某型飞机机翼热气防冰系统开展了笛形管迭代设计计算与分析，获得了能够平衡防冰热载荷的笛形管结构参数和引气压力，并给出了防冰系统的引气压力制度。1 笛形管迭代设计方法热气防冰系统笛形管结构设计过程中，首先需要根据防冰热载荷的计算结果，选取最大热载荷对应工况作为笛形管的设计状态点。设计的笛形管引气流量以及流量分配则需要匹配这一设计状态点下的防冰热载荷。其总体设计思路为：首先根据设计状态点的防冰热载荷分布结果展向分段积分得到防冰腔展向各段的防冰热载荷总值；然后根据分段积分结果，假设防冰腔的热效率，预估缝翼各段防冰所需的热气流量；最后设计笛形管各段热气喷口的孔径及孔间距，匹配所需的热气流量。笛形管结构设计的具体流程如图 1所示，步骤如下：（1）一般缝翼的结构和防冰腔的大小已知，根据这些尺寸，在已有标准导管尺寸的限制下确定末端管径，进一步确定笛形管与防冰表面的相对位置，从而确定喷口孔与缝翼前缘的距离即管壁距 DL。（2）根 据 热 气 喷 口 射 流 冲 击 曲 面 的 实 验 数据8-10，为了使热气射流冲击到蒙皮表面的换热性能最优，管壁距 DL与喷孔直径的比值范围应在4.55之间，从而确定孔径 d的大小。（3）初步设计笛形管的收缩位置和各段管径，假设管内热气温度、压力保持一致（不考虑笛形管内热气的沿程温降和压降）。（4）以最大热载荷工况作为设计点，根据其防冰热载荷计算各段防冰所需热气流量 mi。（5）由流量 mi和喷口孔径 d，可计算出各段孔数 n，根据孔的排布方式进而确定孔间距 L。（6）根据初始防冰所需总流量mi、设计点工况（入口温度、出口背压等）、笛形管参数（管径、孔大小、孔间距、管壁综合传热系数等）建立对应的AMESim 仿真模型，考虑热气沿程温降和压降，计算导管沿程各位置的热气温度 Ti+1、流量 mi+1，同时得到笛形管最前端入口的压力值（即防冰引气到缝翼处的压力值）。（7）比较 AMESim 仿真计算的温度 Ti+1与前一步计算得到的设计温度 Ti，偏差大于设定小量时，根据新的 Ti+1值，结合防冰热载荷，重新计算各段防冰所需流量和总流量（同步骤 4）。（8）将总流量作为 AMESim 仿真模型的输入，重新计算导管各位置处热气的温度和流量分配值。（9）比较各分段的设计流量 mi和 AMESim 仿真计算流量 mi+1的大小，偏差大于设定小量时，微调热气喷口的孔径并更新到 AMESim 仿真模型中，迭代设计笛形管至设计收敛，使其满足要求，即考虑热气温降和压降的情况下，设计的笛形管能够使得展向各段的供气提供的能量与防冰热载荷平衡。（10）根据防冰热载荷在表面的分布情况，设计射流孔出流方向（孔角度），使喷流驻点尽量覆盖所有状态的热载荷峰值位置或附近。需要说明的是，首先确定管壁距是因为飞机缝翼的肋板及放置笛形管的通孔在设计防冰系统时大多已经存在，需要首先满足这个约束，然后通过选择合适的标准导管从而确定管壁距。笛形管设计中根据实际情况也可以先设计确定射流孔直径，然后再根据步骤（2）确定管壁距离。2 防冰所需流量计算笛形管设计过程中需要根据防冰热载荷计算图 1 笛形管设计流程图Fig.1 Design flowchart of piccolo tube259第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报防冰所需的热气流量。根据机翼热载荷计算结果可以得到展向各分段缝翼在表面温度设计值时的总防冰热载荷q?load。为了维持此时的防冰表面温度设计值，需要一定量的热气能量来平衡防冰热载荷q?load。假设热气的所有能量能全部用来加热表面，当表面平均温度为 Ts时，那么热气的温度会从总温 Tha下降到温度 Ts，即防冰腔排气温度和表面平均温度 Ts一致，那么为了平衡q?load所需的热气流量为m?need=q?loadcp()Tha-Ts（1）在实际情况中，热气的能量不可能全部用来加热蒙皮表面，热气的温度也不可能下降到表面平均温度 Ts，而只是降到防冰腔的排气温度 Tbay，out，所以实际情况下，为了平衡表面温度为 Ts时的防冰热载荷q?load，此时需要的热气流量为m?need，f=q?loadcp()Tha-Tbay，out（2）在相同结冰气象条件下，所供热气的总能量中有多少用于加热蒙皮表面和防冰腔的结构有很大关系。为了方便分析，定义热气能量中实际用于加热蒙皮的那部分能量占最大可能用于防冰的总能量的比重为，称为防冰热效率=Tha-Tbay，outTha-Ts（3）因此，为了维持缝翼表面温度 Ts，防冰所需热气流量为m?need，f=q?loadcp()Tha-Ts（4）3 笛形管流量分配计算模型笛形管的基本结构如图 2 所示。图中：1 为导管流量入口；2 代表笛形孔的喷口；L 为管长；D 为管径；d 为喷口直径；喷口数目为 n；p1和 p2分别为笛形管入口和热气喷口出口处的压力；m?1和m?2分别为笛形管入口和单个热气喷口的质量流量，且m?1=j=1nm?2，j。根 据 笛 形 管 的 基 本 结 构，利 用 仿