电热组件防冰性能的计算分析

发布时间：2020-05-09 07:01

【摘要】：飞机结冰严重威胁飞行安全,由于结冰引起的安全事故屡见不鲜,为了保证飞行安全,大部分飞机均设计和安装了结冰防护系统。电热防冰系统凭借其可靠性高、重量轻、易于实现自动化控制等优点,成为目前飞机上最常用的防冰技术之一。为了促进我国航空事业的发展,满足国产飞机的结冰防护系统设计研制需求,开展电热防冰系统性能分析方法研究,对于指导电热防冰系统的优化设计和取得飞机防护系统的适航认证具有重要意义。本文研究电热组件工作时蒙皮表面的温度和溢流水的分布特性,针对水滴运动和撞击特性的数值模拟方法,分别介绍了二维拉格朗日和三维欧拉的水滴撞击特性计算方法,本文采用欧拉法(Eluer),基于Fluent软件开发UDF函数,完成三维水滴撞击特性的计算,为带电热防冰系统的蒙皮外部热流计算提供输入条件;采用边界层积分法计算蒙皮外表面局部对流换热系数,并考虑结冰表面粗糙度的影响,通过对结冰表面粗糙度形成的原因进行分析,针对层流和湍流情况分别采用不同的对流换热系数进行计算,提高结冰模型的计算精度;基于结冰外表面的热流计算方法建立电热系统工作时结冰表面的一维耦合传热模型,并将一维模型推导至二维模型,使用焓法简化二维耦合传热模型,最终建立基于二维Messinger模型的耦合传热特性分析方法,采用本文建立的耦合传热分析方法,计算电热防冰系统开启时的表面温度和溢流水的分布情况,并对表面热流分布和加热区外的结冰情况进行分析。
【图文】：

仅仅使用冰核模型并不足以彻底解释清飞机结冰原因。热力学理论：水滴结冰不仅仅与环境温度有关，它还受水滴曲率、冰核等因素影响穿过云层时，悬浮在空气中的水滴撞在飞机表面。撞击的瞬间，水滴破裂，曲率减增大。附着在飞机表面的极薄的水膜在极短的时间内将来自相变的热量带走，这样表面的水滴迅速结冰。结合冰核理论和热力学理论可以很好的解释过冷水滴在云层中不结冰，而撞击在飞立刻结冰的原因。研究人员在此基础上进一步发展了飞机结冰数值模拟方法，这为结冰及防护提供了新的平台。.3 飞机结冰冰形研究人员在总结大量的试验数据后发现飞机在不同气象条件下飞行时，其表面上结千差万别，这些冰形对飞机的飞行性能也有不同的影响，而探究冰形对气动特性的评估飞行安全格外重要。一般而言，结冰的冰形主要有三类，分别是：明冰(Glaze Ic冰(Rime Ice)，霜冰(Mixed Ice)。如图 1.1 所示，，该组冰形图由 NASA[1]在结冰风洞结所得：

特点并且相辅相成。⑴飞行试验：飞行器在设计和验证阶段，在实际气象条件下进行飞行试验，是验证飞除冰系统设计性能及取得适航认证的必经过程，是对防除冰系统性能检测最有效的途行试验可以有效的比较理论设计和实际工作时检测到的数据的差别，方便进一步改良防系统，并为未来系统的设计提供数据支撑。飞行试验有一些缺陷，如：实际飞行时很难遇到所期望的工况，且由于气象条件的多变难较长时间维持特定工况，并为数据的测量带来困难，难以获取准确的数据。飞行试验气象条件多变或难以达到期望的工况而不得不中断或推迟，需要消耗大量的时间与经进行飞机结冰试飞时，因为结冰对飞行安全危害极大，甚至可能引发安全事故，对飞行求较高。⑵冰风洞试验：在结冰风洞中模拟一定的气象环境，研究飞机的结冰以及结冰对飞行响。冰风洞与传统的风洞类似，不同的是需要使用诸如喷雾设备、制冷设备来模拟所需结冰气象环境。与飞行试验相比，它更容易达到并长时间维持一特定工况，有效降低试本和风险，测量精度较高，能得到相对可信的数据。图 1.2 是一典型的闭式冰风洞结构图：
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V244.15

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本文编号：2655770