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。      

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。      

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。     

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.      

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.     

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。     

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。     

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。      

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。     

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.     

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。     

中间层厚度对陶瓷扩散焊接头应力分布影响的数值分析

采用有限元计算方法，对平面应变、平面应力两种应力状态下含中间层的陶瓷接头界面上应力分布规律进行数值分析。得到了接头界面上正应力和剪应力沿板定的分布曲线。结果表明，中间层材料厚度小时，两种应力状态下的正应力和剪应力在接头界面上滑板定的分布基本均匀。中间层材料厚度增大，平面应变状态下试件中部的正应力增大并出现峰值；平面应力状态下在试件自由瑞边缘正应力增大并出现峰值。两种应力状态下界面上的剪应力由板中央到板边缘逐渐增大，界面上边缘处最大剪应力的值也随中间层厚度的增加而增大。因此，在保证接头接合良好的前提下，应采用小厚度的中间层。     

基于成核理论的水温对结冰黏附强度影响研究

飞机结冰会影响飞行安全,甚至导致严重的飞行事故。研究积冰与基底的黏附强度,可以为飞机防除冰系统的设计提供具体的指标要求。设计剪切黏附力测量实验平台,利用该实验平台测量基板在不同冻结用水初始温度下的结冰黏附力;采集水/冰在冻结过程中的温度变化,并通过成核理论分析实验现象,着重研究冻结用水的初始温度对黏附强度的影响。结果表明：冻结水温初始温度的增加会促进冰晶成核,进而提高黏附强度。     

模型桨叶温热特性试验研究

桨叶除冰技术是一项重要的直升机研究课题,桨叶温热特性是其中重要一环。本文详细介绍了桨叶测温传感器设计,测点布置,测试控制原理,温热特性试验内容及结果等。试验取得了真实可信的数据,得到了一套完整的试验方法。     

飞机热气防冰系统与冰脊预测的数值模拟

基于流固耦合传热的思想建立了一套飞机热气防冰系统的的数值模拟方法,并将其与积冰热力学模型结合起来,实现了热气防冰系统开启时的机翼积冰预测.采用格心格式有限体积法求解N-S方程获得防冰腔与外流场;通过欧拉法在外流场的基础上获得过冷水滴撞击特性;求解三维热传导偏微分方程获得蒙皮的传热特性;采用交接面插值的方法实现防冰腔到外流场的热量传递;建立了考虑三维溢流效应的积冰热力学模型并在此基础上开展了机翼冰脊的数值预测.数值模拟结果表明:热气防冰系统开启时加热机翼表面温度最高可达308K,加热区后的上下机翼表面均有冰脊形成,通过对结果的分析表明该方法是合理可行的.