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PHengLEI的非稳态电热除冰过程仿真

为了填补国产自主可控CFD软件风雷平台的防除冰功能开发的空白,本文建立了电热除冰计算模型、计算方法和非稳态导热模型,并在国家数值风洞风雷平台（PHengLEI）基础上,集成了非稳态电热除冰计算和非稳态导热计算功能。通过与主流商业CFD软件仿真结果和实验数据的对比,验证了导热和非稳态电热除冰程序的准确性。针对某飞行工况进行了电热除冰计算,通过对表面溢流水、表面温度、结冰量的计算结果分析,发现合理布局加热片、设计加热热流密度和电热除冰控制率,可实现电热除冰系统的安全运行和能源的高效利用。     

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。     

用于碳纤维复合材料的电热除冰技术实验研究

 针对碳纤维复合材料机翼的电热除冰技术研究现状,提出了采用多层材料结构的电热除冰垫技术方案.该电热除冰垫各层均由具有不同热功能的材料构成,其中部分材料为根据性能需要自行制备得到的.采用有限容积法(FVM)对除冰垫的性能进行了数值模拟,确定了隔热层厚度,验证了加热回路的均匀性.根据所确定的方案制备了电热除冰垫,并利用自行搭建的除冰验证装置对该电热除冰垫的性能进行了实验研究,得到了加热热流密度、来流风速、来流与除冰表面间夹角对除冰性能的影响规律.研究表明,该电热除冰垫具有良好的除冰性能,除冰方案可行.     

一维和二维电热除冰相变传热特性的参数影响分析

基于飞机电热除冰过程冰层融化的特征,开展了一维和二维电热除冰相变传热特性数值计算研究和参数影响分析,重点考虑了加热模式、冷却时间、加热功率和加热单元间隔等参数对冰层相变传热的影响。采用了基于焓-多孔介质方法的热焓模型,将计算区域看作是包括多层材料和冰、水及其混合区的多孔介质,采用了结构化网格拓扑结构对计算区域进行划分,采用了有限体积方法对控制方程组进行离散,采用线性插值的方法获得混合区的物性参数,耦合能量方程和液态水体积分数公式,迭代求解了计算域的温度分布,获得了不同材料间界面温度的变化,重点分析了冰-保护层界面的温度变化。基于二维电热除冰模型的冰-保护层界面温度不均匀特征,提出了耦合考虑冰-保护层界面热点和冷点温度的冰脱落温度判断准则。研究表明:高功率的周期性加热模式要优于低功率的连续性加热模式,采用合理的冷却时间和加热功率,可获得更低的能量消耗和更好的除冰效果。合理设置加热单元间隔可以提高周期性的除冰效率,但也会形成冷点和热点,造成冰-保护层界面温度分布的不均匀。冰-保护层界面的冷点类似于锚点,即使此刻热点的冰已经融化,整个冰层也无法脱落和剥离。因此,冰脱落的判断要耦合考虑界面热点和冷点的温度特征。      

直升机旋翼防除冰设计与分析

旋翼防除冰是保证直升机在中等结冰条件下安全飞行的基本功能,目前,国内旋翼防除冰技术还未应用于工程设计。本文从旋翼防除冰设计出发,分析研究电热防除冰方法和防除冰控制律,电热防除冰设计涉及的旋翼防冰范围,热力计算以及防除冰加热方法。     

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。     

基于碳纳米管薄膜的新型电热防除冰系统设计及其应用性能

对新型化学气相沉积法（CVD法）制备的碳纳米管薄膜（CNTF）的相结构和微观形貌进行了表征。根据CNTF内的碳纳米管杂乱交错,排列无规则,但孔隙率较高的微观结构特点,提出了基于这种CNTF的飞机电热防除冰系统的设计方案及其制备工艺流程。该方案采用了CNTF和环氧树脂等轻质材料,对样件制备工艺进行了探讨和优化。通过电发热特性测试及防除冰功能测试对此种新型电热防除冰系统样件的电热性能进行了研究。试验结果表明,此种新型电热防除冰系统结构简单,质量小,易于与飞机铝合金蒙皮相结合,有利于减小飞机空重,降低飞行成本;在电热过程中获得的有效平均温度为47℃,可有效地加快冰层融化,在实际应用中具有良好的前景。     

改进的电热除冰系统仿真

建立了电热除冰系统矩形微段的二维简化物理模型,采用焓法模型建立相变导热问题的微分控制方程,用控制容积法对该模型的控制方程及其边界、初始条件进行离散,使用块修正技术对原有的离散方程组的求解方法进行了改进,得到各个时刻的温度分布及冰的融解情况.计算结果与文献实验结果吻合,验证了改进的算法和程序的正确性.并计算分析了时间步长的选择、网格的划分对计算结果的影响.      

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。      

电热破膜激波管及其PLIF测量系统的研制

探讨了用Nd：YAG脉冲激光器作为泵浦光源对激波管内瞬态非定常流场进行平面激光诱导荧光（Planar laser induced fluorescence,PLIF）测量的时序同步问题。由于该激光器需要预热以获得稳定的倍频输出,作者研制了低压大电流的电热破膜装置,实现对激波产生时机的控制。在大尺寸矩形截面的激波管上搭建了PLIF测量平台,并在此平台上进行了丙酮示踪流场显示和氢氧基分布测量。     

飞机除冰液快速加热实验系统及温度控制研究

在分析老式飞机除冰车缺陷的基础上,设计了用于研制开发即热式飞机除冰车的飞机除冰液快速加热系统实验台,并做了大量实验。通过分析试验数据,建立加热系统温度控制数学模型,并在计算机上进行了仿真。试验与仿真结果表明,新型飞机除冰液快速加热系统较老式系统准备时间短,工作更节能,并有良好的精度及抗扰动性能。     

容错式飞机自动除冰系统

 提出一种高可靠性节能型飞机自动除冰系统,采用节能型电分离式除冰方法,并配有最优能量控制策略,使除冰系统所需的除冰能量大大降低；用容错式系统结构,使整个自动除冰系统的可靠性大大增加。实验结果表明系统可靠性高,并且节能效果显著。     

考虑中介轴承波纹度的双转子系统的非线性振动

针对考虑中介轴承波纹度的双转子模型,应用转子动力学理论和拉格朗日方程建立系统的运动方程,采用数值方法求得系统的非线性振动响应,并分析了转速、波纹度最大幅值、波纹度波数和波纹度初始幅值对系统动力学行为的影响规律.结果表明:波纹度对高、低压转子动力学行为的影响规律基本一致,随着转速的增加,高、低压转子的运动表现为周期运动与非周期运动交替变化,在较低转速区可能发生概周期及混沌运动.随着波纹度最大幅值的增大,系统可由周期运动演化为周期2运动、概周期运动及周期4运动,表明波纹度最大幅值增大时不利于系统的安全平稳.当波数为滚动体数的整数倍时,系统可能出现概周期及混沌等复杂非周期运动.随着波纹度初始幅值的增大,系统表现为概周期运动与混沌运动交替出现,但波纹度初始幅值相对较大时转子系统的振动幅值相对较小.      

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.