冰脱落对电热除冰传热特性的影响研究

冰脱落对电热除冰传热特性的影响是电热除冰过程中的重要特征.采用有限体积法和混合网格技术,基于热焓方法将传统的相变传热模型应用到电热除冰计算中,研究了冰脱落对电热除冰传热特性的影响,主要研究了加热模式和加热单元间隔对除冰结构传热特性的影响.研究发现:无间隔除冰单元是有间隔除冰单元的特殊情况,其蒙皮表面温度历程在本质上是一致的.冰脱落后,无间隔除冰单元蒙皮表面温度开始剧烈上升然后逐渐缓慢上升.而对于有间隔除冰单元,随着间隔上加热功率的降低,温升过程逐渐缓和.单元间隔的加热功率降低到一定程度时,表面温度出现温降过程.当传递到蒙皮表面的热量和对流换热带走的热量差逐渐趋于稳定时,表面温度又开始逐渐稳定的上升.     

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。      

电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

采用计算和实验相结合的方法,初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响。在电加热条件下,耦合外部气动力载荷的作用,采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布,比较了加热/不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别,研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律。研究发现,电加热条件下,在表面冰层融化前,热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加,从而造成冰层局部区域的破裂,加速冰层的破坏。同时,设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破坏影响。研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义。     

电热除冰传热特性的结冰风洞实验研究

利用结冰风洞设备和电加热除冰装置,采用实验的方法研究了不同加热模式、冷却时间、加热功率和冰脱落对传热特性的影响。研究表明：设置合理的冷却时间和加热功率,采用高功率的周期性加热模式比采用低功率的连续性加热模式更优越,不仅除冰时间更少,而且能量消耗也更少,从而为电热除冰系统加热模式的选取和传热特性的优化提供了实验依据。     

热/力耦合作用下基于应力分析的冰破坏准则

根据飞机热除冰的物理过程,考虑外部空气动力和蒙皮表面加热的作用,建立了NACA 0012翼型前缘冰层应力计算模型。采用有限元方法和平面三角形单元对控制方程组进行了求解,获得了外部空气动力和蒙皮表面加热对冰层黏附界面应力的影响规律。研究表明:蒙皮表面不加热时,来流速度影响了黏附界面应力的强度,来流攻角影响了黏附界面应力的分布,冰-蒙皮间黏附界面切应力最大值随来流速度呈近似线性增大趋势,但外部空气动力很难造成冰层破坏。蒙皮表面加热时,冰-蒙皮间黏附界面的耦合应力和冰层内部的主应力随着热流密度的增大而增大,很容易超过剪切强度,这是造成冰破坏的关键因素。耦合冰-蒙皮剪切强度随界面温度的变化关系,初步建立了基于应力分析和热/力耦合作用的冰破坏判断准则。外部空气动力产生的界面应力和蒙皮表面加热产生的界面热应力之和，必须大于与蒙皮表面温度相关的剪切强度，则冰层发生破坏，破坏位置是耦合应力超过剪切强度的区域。      

周期电加热控制律对除冰表面温度的影响

研究周期性电热除冰系统加热控制律对表面温度的影响是进行系统设计和优化的前提.在采用焓法模型对二维电热除冰系统矩形单元的瞬态传热模型进行建模的基础上, 采用控制容积法全隐格式求解控制微分方程, 对周期性电热除冰表面的温度进行了计算.分析了影响表面温度的主要因素, 得到表面温度与加热控制律的关系, 结果表明:供电热流密度的大小和供电周期对系统除冰效果有重要影响, 需要合理匹配.      

积冰密度对机翼除冰过程影响的数值研究

针对不同类型的积冰,采用数值方法研究了不同冰密度对于电加热除冰过程中热传导及冰融化过程的影响。选取了典型结冰条件下所生成的两种霜冰及明冰作为分析对象,以标准的三维电加热除冰模型作为数值模拟研究模型,设置温度监测点,取金属蒙皮与冰的交界面作为监测面,在电加热除冰过程中记录监测点及监测面的温度变化情况。通过比较不同密度积冰融化过程中监测点与监测面的温度变化情况,分析积冰密度对冰融化过程的影响。计算结果表明,冰密度对电热除冰过程具有明显的影响,积冰密度降低会提高积冰温度升高的速度,使得积冰初始融化的时刻提前,整个融化过程缩短。     

CJ818客机尾翼周期电热除冰系统计算分析

针对CJ818客机尾翼的周期电热除冰系统进行计算分析,内容涉及尾翼的周期电热除冰系统的初步设计、加热条布置方式、外流场CFD计算、水滴撞击特性计算、防护范围以及加热条功率的确定等。计算了最佳加热功率时尾翼蒙皮在加热条中心上方和间隙上方的温度分布以及随时间的变化情况,并由此判断一定周期之后该周期电热除冰系统是否达到系统设计的要求。     

电加热过程的冰脊形成实验研究

利用结冰风洞设备和电加热装置,采用实验的方法研究了不同来流速度、环境温度和加热功率对冰脊形成的影响。研究表明：随着来流速度、加热功率的增加,冰防护区长度增加,冰脊往下游推后,而随着环境温度的降低,冰防护区长度减小,冰脊往上游靠近。冰脊的生长规律是从冰防护区外下游某位置开始冻结,逐步往冰防护区发展,从而为电热除冰系统加热模式的选取和传热特性的优化提供了实验依据。     

发动机唇口电热防冰系统性能仿真

采用三维耦合传热方法对发动机唇口电热防冰系统进行了多状态下的性能仿真,获得了唇口表面平衡温度及动态温升响应时间,以此评估防冰系统性能,并通过与冰风洞试验结果对比,对仿真过程进行了修正。研究表明:唇口表面加热区平衡温度均高于273.15 K,温升响应时间小于60 s,满足防冰需要,较为严酷的防冰状态点主要为飞行速度较大、环境温度较低的状态点;修正唇口材料导热系数后,仿真与试验结果吻合良好。研究结果能有效指导工程研制,对提高防除冰仿真分析结果的准确性提供了很好的借鉴。     

航空发动机进气支板电热防冰试验

为了研究电加热防冰的效果,开展了小型航空发动机进气支板的电加热防冰试验。结合该型号发动机进气支板的结构特点,设计了3种电热防冰加热布置方式,分别在支板沿轴向的不同位置采用1~3个电加热棒作为防冰热源。通过模拟不同的发动机进气结冰环境参数和电加热功率,在冰风洞中对3种电加热方式进行了防冰试验研究。通过布置在支板外表面的温度测点记录了防冰过程中支板表面的瞬态温度变化,分析了支板防冰过程中表面温度的变化特点。防冰试验研究了热源总功率、热源布置方式、液态水含量以及来流温度对支板防冰性能的影响。试验结果表明,合理的电加热方式可以取得较好的防冰效果,同时避免支板后部的溢流水结冰。     

旋转帽罩表面积冰甩脱位置的数值模拟

为了更好地理解旋转帽罩表面积冰的甩脱机理和过程,采用水杯法在万能试验机上分别测得积冰/铝板界面黏附强度值和积冰内部拉伸强度值。参考试验测得的这2个数据,结合内聚力模型（CZM）和扩展有限元法（X-FEM）,在有限元软件ANSYS中分别模拟得到积冰与旋转帽罩之间的界面分离区域和冰形内部裂纹路径及其扩展过程,对旋转帽罩表面积冰甩脱的位置和体积作出预测。预测结果与帽罩表面积冰甩脱试验结果作比较,证明了CZM和X-FEM耦合的数值模拟方法可行。为实际工程应用中的热气或者电防冰系统的布置提供参考。     

Enhanced electrothermal effect of carbon fibrous composites decorated with high conductive carbon nanotube webs

Literature has demonstrated that Carbon Nanotubes (CNTs) can greatly enhance the electrical conductivity and matrix-dominated mechanical properties of fibrous composites. However, electrothermal coupling effect of CNTs on Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRPs) has scarcely been considered. This work prepared and introduced thin and porous CNT webs to the surface or/and interface of a CFRP to enhance its electrothermal properties. The results show that CNT webs can enhance the transverse electrical conductivities of the CFRP by 231%−519% in a current range of 50–150 mA, when compared to the base-CFRP. Also, the surface temperature of CNT webs decorated CFRP can be improved by 20.5–32.3 °C within 3 min showing a self-heating rate of 6.8–10.8 °C/min just with an applied voltage of 20–30 V, increased by 152%−177% when compared to the base-CFRP (2.7–3.9 °C/min). Also, deicing can be finished within 4–10 min with a voltage of 18 V and an input power of 246 W/m². Moreover, the electrothermal processes nearly have no negative effect on the mechanical properties of the CFRP. The relatively low input power and short response time for deicing make the CNT webs decorated CFRP may be a potential new generation for aeronautical deicing structure.     

钛合金铆钉热铆一次合格率提升方法研究

针对现有钛合金铆钉热铆存在的镦头成型不足、镦头表面灼伤、钉头现灰黄色氧化层等问题,分析得出其主要原因是铆接加热时间未精确控制和铆接过程带电,提出了一种钛合金铆钉热铆系统优化方法,基于PLC实现加热时间参数化控制和铆接自动断电功能,通过铆钉加热试验获得多组铆钉温度和对应加热时间数据,采用牛顿插值法得到铆钉加热至目标温度时所需加热时间,形成一套针对不同长度和直径铆钉的热铆工艺参数,最后通过热铆试验确定钛合金铆钉热铆一次合格率获得大幅提升。