电加热过程的冰脊形成实验研究

肖春华,桂业伟,杜雁霞,李德祥

(1.空气动力学国家重点实验室,四川绵阳 621000;2.中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳 621000)

0 引 言

飞机结冰包括两种情况,一种是前缘结冰[1],另一种是冰脊[2]。冰脊形成是加热融冰和防冰过程中可能发生的的重要现象。融化的和未冻结的液态水,一部分受热蒸发,另一部分往下游溢流到冰防护区外冻结形成冰脊。前缘结冰可以采用热力或机械的方法除去,但冰脊产生于防护区外,难以预测、控制和消除,危害比前缘结冰更严重。1994年美国AT R-72飞机由于冰脊的产生造成机毁人亡的飞行事故,从而引起研究人员对冰脊问题的重视,掀起了研究热潮[3-4]。大多数研究限于假定冰脊外形、大小及位置对气动特性的影响研究[5],对于冰脊的形成机理鲜有报道。因此,冰脊形成机理的研究对于深入认识结冰机理和防除冰技术的发展都具有重大意义,也是目前国际上的一个难题。

形成冰脊的情况有两种：一是大尺度的过冷水滴撞击到飞机机翼前缘表面,未冻结的液态水往下溢流到防护区外冻结而成;二是开启热防/除冰装置后,未冻结的和融化的液态水往下溢流到防护区外冻结而成。两者的共同特征是液态水在气动力作用下沿蒙皮表面往下的溢流和冻结,这是冰脊形成的前提。Morency等人[6]对表面溢流的不同形态和传热特性进行了研究,但未考虑溢流过程的二次结冰、传热对冰脊形成的影响。笔者采用自行设计的电加热装置,在小型结冰风洞中,对电加热条件下液态水在结冰环境中的溢流、冻结形成冰脊的过程和规律进行了研究,以期揭示电加热过程中冰脊的形成特征。

1 实验设备和装置

实验在0.3m×0.2m小型结冰风洞中进行,风洞主实验段尺寸为0.3m×0.2m×0.65m(宽×高×长),设计风速60m/s,图1是主实验段照片。

图1 结冰风洞主实验段照片Fig.1 The main test section photograph of icing wind tunnel

实验模型由硬铝板、带槽的实木板和加热单元组成(见图2)。其中,最上面是硬铝板,最下面是实木板,中间槽内安装加热单元,共同组成电加热实验模型。

图2 实验模型结构示意图Fig.2 Schematic diagram of test model

图3是实验模型装配图,箭头为来流方向。图4是溢流发生装置示意图,由液滴瓶、输液管和保温材料构成。保温材料主要是防止液态水在实验段内输送时发生冻结而堵塞输液管。

图3 实验模型装配图Fig.3 The assembly diagram of test model

图4 溢流发生装置示意图Fig.4 The schematic of runback water device

2 实验方法和步骤

2.1 实验目的

研究不同来流速度、加热功率和结冰环境温度下,液态水在电加热过程中的溢流、冻结特性和冰脊的形成规律,掌握冰防护区、冰脊长度随来流速度、加热功率和结冰环境温度的变化规律,观察冰脊的产生过程、测量冰脊的形态,并分析电加热过程中的液态水往后溢流到冰防护区外形成冰脊的机理。

2.2 实验方法

该研究以结冰风洞为实验平台,利用电加热实验模型模拟飞机蒙皮表面及其电热防除冰装置,模型表面温度通过温控回路控制,溢流水由溢流发生装置供应,实验对冰脊的长度、宽度、截面形状等参数进行测绘,研究冰脊长度随来流速度、结冰环境温度和加热功率的变化规律,研究和分析结冰气象条件下冰防护区外冰脊的产生机理。

电加热实验模型由硬铝板、实木板、加热单元和耐火泥组成。绝缘层采用热阻较大的光滑实木板,以减小向内的热损失,增大热量向模型外表面的传递。加热单元置入实木板槽内,各部件之间用粘合剂粘牢以减小接触热阻。模型的加热回路由加热单元、导线和调压电源构成,通过调节电源电压实现加热功率的控制。温控回路由温度传感器、继电器及温度显示器构成,通过继电器的开关实现模型表面温度的相对恒定并起到过热保护作用。温度传感器采用热电偶温度计。加热单元采用电阻丝缠绕云母板、不锈钢外壳密封,导线从风洞实验段后部的调压缝引出并进行绝缘防水处理,以确保实验安全。

实验采用液滴瓶、输液管和保温材料构成溢流发生装置,将液滴瓶及支架置于实验段外,通过输液管将水输送至溢流孔处,并通过调节输液管上的输液阀来控制液滴流率。为保证出流压力和液滴的均匀性,可在输液管上增加输液泵予以控制和调节。

3 实验结果和分析

为了研究来流速度、结冰环境温度、加热功率等条件对溢流特性和冰脊形成的影响,开启结冰风洞制冷系统和电加热装置,保持冰防护区表面温度恒定(如4℃左右)及其它条件相同,改变所需研究的条件,记录对应的冰防护区和冰脊长度。调节所需参数重复进行实验,记录不同工况下的冰防护区长度、冰脊长度及截面形态,溢流时间均为8min。

3.1 来流速度的影响

来流速度的不同,将导致模型外表面的压力分布也不同,推动液态水往后溢流的气动剪切力也不同,从而使冰脊的形成速度和长度也不同。

图5和6分别显示了冰防护区长度、冰脊长度随来流速度的变化。实验采用环境温度-5℃,电压分别为50、100和200V,来流风速为30、40和50m/s。由图可知：采用电压50V时,不管来流速度是30、40还是50m/s,冰防护区长度均为零,从溢流水出口到平板尾部,溢流行程方向上完全冻结,说明此加热功率下的防冰失效,实验监测的冰防护区表面温度也低于冻结点。因为一方面平板壁面吸收加热单元提供的热量,另一方面又和外部流场发生强烈的对流换热,当加热功率太小时,单位时间传递到壁面的热量少于被空气带走的热量,所以冰防护区的壁面温度不断降低,直至低于0℃,液态水来不及溢流出冰防护区就发生冻结,形成严重的冰脊。保持相同的加热功率,冰防护区长度随来流速度的增加而增长。

图7显示了不同来流速度下典型工况的冰脊初始位置和走向分布,从图上可以清晰地看到冰脊产生的起始位置和走向。由图可知,来流速度越大,外部气动力作用在溢流水表面的剪切力就越大,溢流水形成的溪线就越直、越细,因此形成的冰脊也就越细且直,冰脊的起始位置也越往下游推后。

图5 不同来流速度的冰防护区长度Fig.5 Length of ice protection vs velocity

图6 冰脊长度随来流速度的变化Fig.6 Length of ice ridge vs velocity

图7 不同来流速度下冰脊的初始位置和走向(t=5℃,U=200V)Fig.7 Initial location and direction of ice ridge under different velocities

3.2 结冰环境温度的影响

结冰环境温度的不同,将极大的影响模型表面的液态水冻结速率,进而影响溢流特征和冰脊的形成。

图8显示了冰防护区和冰脊长度随环境温度的变化。实验采用来流速度30m/s,环境温度分别是-5℃、-8℃、-10℃,电压200V 。由图可知,保持其它条件相同,冰防护区长度随环境温度的降低而减小,冰脊长度则随环境温度的降低而增加。这是由于环境温度越低,溢流水和外流场的温差就越大,对流换热就越强烈,溢流水外边界的冻结速度也就越快。冰防护区外的壁面温度与环境温度接近,环境温度越低,溢流水内边界的冻结速度也就越快。因此,环境温度越低就使得冰脊的形成速度越快,往冰防护区内的发展速度也越快。

图8 冰防护区和冰脊长度随环境温度的变化Fig.8 Length of ice protection and ice ridge vs temperature

图9反映了不同环境温度下典型工况的冰脊初始位置和走向分布。由图可知,环境温度越低,液态水往后溢流时发生冻结的速度越快,冰脊形成的初始位置越靠近冰防护区,也容易在靠近冰防护区的表面形成较大的冰脊(见图9中t=-10℃的工况)。

3.3 加热功率的影响

加热功率不同,单位时间为模型表面提供的能量就不同,这将影响溢流水在模型表面的冻结速率,从而影响冰脊的形成。

图10和11分别显示了冰防护区长度、冰脊长度随加热功率的变化。实验采用环境温度-5℃,来流速度分别是 30、40和 50m/s,电压是 50、100和200V。由图可知：保持相同的来流速度,冰防护区长度随加热功率的增大而增加,而冰脊长度则随加热功率的增大而减小,相应的冰脊形成的起始位置也越远离防护区。如果加热功率太小,则热量传递到模型表面的速度太慢,会导致壁面吸收的热量低于对流换热带走的热量,使得壁面温度不断下降,直至低于冻结点,在冰防护区表面产生冰脊,从而导致防冰失效。

图12反映了不同加热功率下典型工况的冰脊初始位置和走向分布。由图可知,加热功率较小时(50V),液态水容易在冰防护区发生冻结,导致防冰失效。加热功率越大,壁面吸收的热量就越多,溢流水越容易保持液态,所以,冰脊形成的初始位置就越往下游推后。

图9 不同环境温度下典型工况的冰脊初始位置和走向(v=30m/s,U=200V)Fig.9 Initial location and direction of ice ridge under different ambient temperatures

图10 冰防护区长度随加热功率的变化Fig.10 Length of ice protection vs heater power

图11 冰脊长度随加热功率的变化Fig.11 Length of ice ridge vs heater power

图12 不同加热功率下冰脊的初始位置和走向(v=50m/s,t=-5℃)Fig.12 Initial location and direction of ice ridge under different heater power

4 结 论

笔者采用实验的方法,研究了不同来流条件下电加热对冰脊形成的影响,对冰脊形成机理进行了分析,主要结论如下：

(1)随着来流速度、加热功率的增加,冰防护区长度增加,冰脊长度往下游推后,反之,冰脊往上游靠近;

(2)环境温度越低,溢流水温度下降越快,形成冰脊的速度也越快,随着环境温度的降低,冰防护区长度减小,冰脊往上游靠近;

(3)如果加热功率无法保持冰防护区表面温度高于冻结温度,冰防护区表面将产生冻结,导致防冰失效;

(4)冰脊的纵向生长规律是从冰防护区外下游某位置开始,逐步往冰防护区内发展,最先产生冰脊的位置和壁面粗糙度、壁面温度、表面张力、环境温度和溢流水运动速度有关。

[1] KIND R J,POTAPCZUK M G,FEO A,et al.Experimental and computational simulation of in-flight icing phenomena[J].Progress in Aerospace Sciences,1998,34：275-345.

[2] BRAGG M B,BROEREN A P,BLUM ENTHAL L A.Iced-airfoil aerodynamics[J].Progress in Aerospace Sciences,2005.

[3] GUY Fortin,ADRIAN Ilinca,JEAN-Louis Laforte,et al.Prediction of 2D airfoil ice accretion by bisection method and by rivulets and beads modeling[R].AIAA-2003-1076,2003.

[4] TAN SC,PAPADAKIS M.Simulation of SLD impingement on a high-lift airfoil[R].AIAA-2006-463,2006.

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[6] MORENCY F,TEZOK F,PARASCHIVOIU I.Heat and mass transfer in the case of an anti-icing system modelisation[R].AIAA-1999-0623,1999.