[發(fā)明專利]電加熱防冰系統(tǒng)的熱載荷分布設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310088148.4
• 申請日: 2023-02-09
• 公開（公告）號: CN115817822B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳寧立;易賢;王強(qiáng);柴得林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速空氣動力研究所
• 主分類號: B64D15/12
• 分類號: B64D15/12;B64F5/00
• 代理公司: 四川中代知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51358
• 代理人: 胡偉

公開一種電加熱防冰系統(tǒng)的熱載荷分布設(shè)計(jì)方法，包括：基于預(yù)設(shè)的模擬條件，對加熱覆蓋區(qū)域外部的空氣和水滴流場進(jìn)行模擬，得到加熱覆蓋區(qū)域的每個網(wǎng)格單元的對流換熱系數(shù)和水滴撞擊質(zhì)量；基于預(yù)設(shè)的目標(biāo)防冰溫度、對流換熱系數(shù)和水滴撞擊質(zhì)量，計(jì)算得到電加熱防冰系統(tǒng)在每個網(wǎng)格單元的熱載荷；基于每個網(wǎng)格單元的熱載荷，確定多個加熱區(qū)域中的每個加熱區(qū)域的面平均防冰熱流；基于每個加熱區(qū)域的面平均防冰熱流，針對每個網(wǎng)格單元，迭代地計(jì)算壁面溫度，直至壁面溫度相對于目標(biāo)防冰溫度收斂；在每個網(wǎng)格單元的壁面溫度相對于目標(biāo)防冰溫度收斂的情況下，得到每個加熱區(qū)域的最終確定的面平均防冰熱流，從而對電加熱防冰系統(tǒng)的熱載荷分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開總體說來涉及防除冰技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種電加熱防冰系統(tǒng)的熱載荷分布設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

飛行器穿過含有過冷水滴的云層時，飛行器表面會發(fā)生積冰現(xiàn)象，積冰現(xiàn)象的發(fā)生會對飛行器的安全造成重大的危害，例如，機(jī)翼表面積冰會導(dǎo)致機(jī)翼的升力下降、阻力上升，且有可能導(dǎo)致失速提前，因此通常需要在飛行器的關(guān)鍵部位（如機(jī)翼表面）設(shè)計(jì)防冰系統(tǒng)。電加熱防冰系統(tǒng)是飛行器表面常用的一種防冰系統(tǒng)，可以在結(jié)冰氣象條件下對飛行器形成有效的保護(hù)。

在電加熱防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一項(xiàng)重要的內(nèi)容是確定表面電加熱系統(tǒng)的輸入功率，即防冰熱載荷。相關(guān)技術(shù)中的防冰熱載荷設(shè)計(jì)方法，通常先根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)或者已有類似型號的設(shè)計(jì)進(jìn)行一個防冰熱載荷的初步設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行防冰數(shù)值模擬或者冰風(fēng)洞試驗(yàn)對所進(jìn)行的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)增加或者降低對應(yīng)的防冰熱載荷，反復(fù)迭代獲得最終所需要的熱載荷；或者，首先采用數(shù)值模擬計(jì)算獲得表面的水收集率，根據(jù)撞擊水量忽略固體表面切向?qū)幔?jì)算得到表面水膜完全蒸發(fā)（干防冰）所需要提供的熱量分布。

然而，相關(guān)技術(shù)中的防冰熱載荷設(shè)計(jì)方法存在諸多問題，例如，對于分區(qū)加熱設(shè)計(jì)無法提供指導(dǎo)，對多層薄壁固體內(nèi)部導(dǎo)熱存在缺陷，或者對濕表面防冰（表面存在液態(tài)水）的設(shè)計(jì)存在不足或者是過保護(hù)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

本公開提供一種電加熱防冰系統(tǒng)的熱載荷分布設(shè)計(jì)方法，能夠考慮到電加熱防冰系統(tǒng)的特性，針對加熱覆蓋區(qū)域中的多個加熱區(qū)域進(jìn)行熱載荷分布設(shè)計(jì)，從而更好地滿足了不同位置的加熱需求，提高了電加熱防冰系統(tǒng)的能源利用效率。

在一個總的方面，提供一種電加熱防冰系統(tǒng)的熱載荷分布設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述電加熱防冰系統(tǒng)用于對加熱覆蓋區(qū)域進(jìn)行電加熱，所述加熱覆蓋區(qū)域包括多個加熱區(qū)域，其中，所述熱載荷分布設(shè)計(jì)方法包括：基于預(yù)設(shè)的模擬條件，對所述加熱覆蓋區(qū)域外部的空氣和水滴流場進(jìn)行模擬，得到所述加熱覆蓋區(qū)域的每個網(wǎng)格單元的對流換熱系數(shù)和水滴撞擊質(zhì)量；基于預(yù)設(shè)的目標(biāo)防冰溫度、所述對流換熱系數(shù)和所述水滴撞擊質(zhì)量，計(jì)算得到所述電加熱防冰系統(tǒng)在每個網(wǎng)格單元的熱載荷；基于每個網(wǎng)格單元的熱載荷，確定所述多個加熱區(qū)域中的每個加熱區(qū)域的面平均防冰熱流；基于每個加熱區(qū)域的面平均防冰熱流，針對每個網(wǎng)格單元，迭代地計(jì)算壁面溫度，直至所述壁面溫度相對于所述目標(biāo)防冰溫度收斂；在每個網(wǎng)格單元的壁面溫度相對于所述目標(biāo)防冰溫度收斂的情況下，得到每個加熱區(qū)域的最終確定的面平均防冰熱流，從而根據(jù)所述最終確定的面平均防冰熱流來對所述電加熱防冰系統(tǒng)的熱載荷分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。

可選地，所述模擬條件包括來流條件、云霧條件和壁溫條件中的至少一個，其中，所述來流條件包括來流速度、來流溫度和壓力中的至少一個，所述云霧條件包括水滴直徑和液態(tài)水含量中的至少一個，所述壁溫條件包括給定壁面溫度，其中，所述給定壁面溫度基于所述來流溫度來確定。

可選地，通過以下等式來計(jì)算所述電加熱防冰系統(tǒng)在每個網(wǎng)格單元的熱載荷：

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其中，

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其中，

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