電加熱過程的冰脊形成實(shí)驗(yàn)研究

肖春華,桂業(yè)偉,杜雁霞,李德祥

(1.空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽(yáng) 621000;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

飛機(jī)結(jié)冰包括兩種情況,一種是前緣結(jié)冰[1],另一種是冰脊[2]。冰脊形成是加熱融冰和防冰過程中可能發(fā)生的的重要現(xiàn)象。融化的和未凍結(jié)的液態(tài)水,一部分受熱蒸發(fā),另一部分往下游溢流到冰防護(hù)區(qū)外凍結(jié)形成冰脊。前緣結(jié)冰可以采用熱力或機(jī)械的方法除去,但冰脊產(chǎn)生于防護(hù)區(qū)外,難以預(yù)測(cè)、控制和消除,危害比前緣結(jié)冰更嚴(yán)重。1994年美國(guó)AT R-72飛機(jī)由于冰脊的產(chǎn)生造成機(jī)毀人亡的飛行事故,從而引起研究人員對(duì)冰脊問題的重視,掀起了研究熱潮[3-4]。大多數(shù)研究限于假定冰脊外形、大小及位置對(duì)氣動(dòng)特性的影響研究[5],對(duì)于冰脊的形成機(jī)理鮮有報(bào)道。因此,冰脊形成機(jī)理的研究對(duì)于深入認(rèn)識(shí)結(jié)冰機(jī)理和防除冰技術(shù)的發(fā)展都具有重大意義,也是目前國(guó)際上的一個(gè)難題。

形成冰脊的情況有兩種：一是大尺度的過冷水滴撞擊到飛機(jī)機(jī)翼前緣表面,未凍結(jié)的液態(tài)水往下溢流到防護(hù)區(qū)外凍結(jié)而成;二是開啟熱防/除冰裝置后,未凍結(jié)的和融化的液態(tài)水往下溢流到防護(hù)區(qū)外凍結(jié)而成。兩者的共同特征是液態(tài)水在氣動(dòng)力作用下沿蒙皮表面往下的溢流和凍結(jié),這是冰脊形成的前提。Morency等人[6]對(duì)表面溢流的不同形態(tài)和傳熱特性進(jìn)行了研究,但未考慮溢流過程的二次結(jié)冰、傳熱對(duì)冰脊形成的影響。筆者采用自行設(shè)計(jì)的電加熱裝置,在小型結(jié)冰風(fēng)洞中,對(duì)電加熱條件下液態(tài)水在結(jié)冰環(huán)境中的溢流、凍結(jié)形成冰脊的過程和規(guī)律進(jìn)行了研究,以期揭示電加熱過程中冰脊的形成特征。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和裝置

實(shí)驗(yàn)在0.3m×0.2m小型結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行,風(fēng)洞主實(shí)驗(yàn)段尺寸為0.3m×0.2m×0.65m(寬×高×長(zhǎng)),設(shè)計(jì)風(fēng)速60m/s,圖1是主實(shí)驗(yàn)段照片。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞主實(shí)驗(yàn)段照片F(xiàn)ig.1 The main test section photograph of icing wind tunnel

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎蹭X板、帶槽的實(shí)木板和加熱單元組成(見圖2)。其中,最上面是硬鋁板,最下面是實(shí)木板,中間槽內(nèi)安裝加熱單元,共同組成電加熱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test model

圖3是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b配圖,箭頭為來流方向。圖4是溢流發(fā)生裝置示意圖,由液滴瓶、輸液管和保溫材料構(gòu)成。保溫材料主要是防止液態(tài)水在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)輸送時(shí)發(fā)生凍結(jié)而堵塞輸液管。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b配圖Fig.3 The assembly diagram of test model

圖4 溢流發(fā)生裝置示意圖Fig.4 The schematic of runback water device

2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

研究不同來流速度、加熱功率和結(jié)冰環(huán)境溫度下,液態(tài)水在電加熱過程中的溢流、凍結(jié)特性和冰脊的形成規(guī)律,掌握冰防護(hù)區(qū)、冰脊長(zhǎng)度隨來流速度、加熱功率和結(jié)冰環(huán)境溫度的變化規(guī)律,觀察冰脊的產(chǎn)生過程、測(cè)量冰脊的形態(tài),并分析電加熱過程中的液態(tài)水往后溢流到冰防護(hù)區(qū)外形成冰脊的機(jī)理。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

該研究以結(jié)冰風(fēng)洞為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用電加熱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M飛機(jī)蒙皮表面及其電熱防除冰裝置,模型表面溫度通過溫控回路控制,溢流水由溢流發(fā)生裝置供應(yīng),實(shí)驗(yàn)對(duì)冰脊的長(zhǎng)度、寬度、截面形狀等參數(shù)進(jìn)行測(cè)繪,研究冰脊長(zhǎng)度隨來流速度、結(jié)冰環(huán)境溫度和加熱功率的變化規(guī)律,研究和分析結(jié)冰氣象條件下冰防護(hù)區(qū)外冰脊的產(chǎn)生機(jī)理。

電加熱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎蹭X板、實(shí)木板、加熱單元和耐火泥組成。絕緣層采用熱阻較大的光滑實(shí)木板,以減小向內(nèi)的熱損失,增大熱量向模型外表面的傳遞。加熱單元置入實(shí)木板槽內(nèi),各部件之間用粘合劑粘牢以減小接觸熱阻。模型的加熱回路由加熱單元、導(dǎo)線和調(diào)壓電源構(gòu)成,通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)加熱功率的控制。溫控回路由溫度傳感器、繼電器及溫度顯示器構(gòu)成,通過繼電器的開關(guān)實(shí)現(xiàn)模型表面溫度的相對(duì)恒定并起到過熱保護(hù)作用。溫度傳感器采用熱電偶溫度計(jì)。加熱單元采用電阻絲纏繞云母板、不銹鋼外殼密封,導(dǎo)線從風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段后部的調(diào)壓縫引出并進(jìn)行絕緣防水處理,以確保實(shí)驗(yàn)安全。

實(shí)驗(yàn)采用液滴瓶、輸液管和保溫材料構(gòu)成溢流發(fā)生裝置,將液滴瓶及支架置于實(shí)驗(yàn)段外,通過輸液管將水輸送至溢流孔處,并通過調(diào)節(jié)輸液管上的輸液閥來控制液滴流率。為保證出流壓力和液滴的均勻性,可在輸液管上增加輸液泵予以控制和調(diào)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了研究來流速度、結(jié)冰環(huán)境溫度、加熱功率等條件對(duì)溢流特性和冰脊形成的影響,開啟結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)和電加熱裝置,保持冰防護(hù)區(qū)表面溫度恒定(如4℃左右)及其它條件相同,改變所需研究的條件,記錄對(duì)應(yīng)的冰防護(hù)區(qū)和冰脊長(zhǎng)度。調(diào)節(jié)所需參數(shù)重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄不同工況下的冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度、冰脊長(zhǎng)度及截面形態(tài),溢流時(shí)間均為8min。

3.1 來流速度的影響

來流速度的不同,將導(dǎo)致模型外表面的壓力分布也不同,推動(dòng)液態(tài)水往后溢流的氣動(dòng)剪切力也不同,從而使冰脊的形成速度和長(zhǎng)度也不同。

圖5和6分別顯示了冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度、冰脊長(zhǎng)度隨來流速度的變化。實(shí)驗(yàn)采用環(huán)境溫度-5℃,電壓分別為50、100和200V,來流風(fēng)速為30、40和50m/s。由圖可知：采用電壓50V時(shí),不管來流速度是30、40還是50m/s,冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度均為零,從溢流水出口到平板尾部,溢流行程方向上完全凍結(jié),說明此加熱功率下的防冰失效,實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的冰防護(hù)區(qū)表面溫度也低于凍結(jié)點(diǎn)。因?yàn)橐环矫嫫桨灞诿嫖占訜釂卧峁┑臒崃?另一方面又和外部流場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈的對(duì)流換熱,當(dāng)加熱功率太小時(shí),單位時(shí)間傳遞到壁面的熱量少于被空氣帶走的熱量,所以冰防護(hù)區(qū)的壁面溫度不斷降低,直至低于0℃,液態(tài)水來不及溢流出冰防護(hù)區(qū)就發(fā)生凍結(jié),形成嚴(yán)重的冰脊。保持相同的加熱功率,冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度隨來流速度的增加而增長(zhǎng)。

圖7顯示了不同來流速度下典型工況的冰脊初始位置和走向分布,從圖上可以清晰地看到冰脊產(chǎn)生的起始位置和走向。由圖可知,來流速度越大,外部氣動(dòng)力作用在溢流水表面的剪切力就越大,溢流水形成的溪線就越直、越細(xì),因此形成的冰脊也就越細(xì)且直,冰脊的起始位置也越往下游推后。

圖5 不同來流速度的冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度Fig.5 Length of ice protection vs velocity

圖6 冰脊長(zhǎng)度隨來流速度的變化Fig.6 Length of ice ridge vs velocity

圖7 不同來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 結(jié)冰環(huán)境溫度的影響

結(jié)冰環(huán)境溫度的不同,將極大的影響模型表面的液態(tài)水凍結(jié)速率,進(jìn)而影響溢流特征和冰脊的形成。

圖8顯示了冰防護(hù)區(qū)和冰脊長(zhǎng)度隨環(huán)境溫度的變化。實(shí)驗(yàn)采用來流速度30m/s,環(huán)境溫度分別是-5℃、-8℃、-10℃,電壓200V 。由圖可知,保持其它條件相同,冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度隨環(huán)境溫度的降低而減小,冰脊長(zhǎng)度則隨環(huán)境溫度的降低而增加。這是由于環(huán)境溫度越低,溢流水和外流場(chǎng)的溫差就越大,對(duì)流換熱就越強(qiáng)烈,溢流水外邊界的凍結(jié)速度也就越快。冰防護(hù)區(qū)外的壁面溫度與環(huán)境溫度接近,環(huán)境溫度越低,溢流水內(nèi)邊界的凍結(jié)速度也就越快。因此,環(huán)境溫度越低就使得冰脊的形成速度越快,往冰防護(hù)區(qū)內(nèi)的發(fā)展速度也越快。

圖8 冰防護(hù)區(qū)和冰脊長(zhǎng)度隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Length of ice protection and ice ridge vs temperature

圖9反映了不同環(huán)境溫度下典型工況的冰脊初始位置和走向分布。由圖可知,環(huán)境溫度越低,液態(tài)水往后溢流時(shí)發(fā)生凍結(jié)的速度越快,冰脊形成的初始位置越靠近冰防護(hù)區(qū),也容易在靠近冰防護(hù)區(qū)的表面形成較大的冰脊(見圖9中t=-10℃的工況)。

3.3 加熱功率的影響

加熱功率不同,單位時(shí)間為模型表面提供的能量就不同,這將影響溢流水在模型表面的凍結(jié)速率,從而影響冰脊的形成。

圖10和11分別顯示了冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度、冰脊長(zhǎng)度隨加熱功率的變化。實(shí)驗(yàn)采用環(huán)境溫度-5℃,來流速度分別是 30、40和 50m/s,電壓是 50、100和200V。由圖可知：保持相同的來流速度,冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度隨加熱功率的增大而增加,而冰脊長(zhǎng)度則隨加熱功率的增大而減小,相應(yīng)的冰脊形成的起始位置也越遠(yuǎn)離防護(hù)區(qū)。如果加熱功率太小,則熱量傳遞到模型表面的速度太慢,會(huì)導(dǎo)致壁面吸收的熱量低于對(duì)流換熱帶走的熱量,使得壁面溫度不斷下降,直至低于凍結(jié)點(diǎn),在冰防護(hù)區(qū)表面產(chǎn)生冰脊,從而導(dǎo)致防冰失效。

圖12反映了不同加熱功率下典型工況的冰脊初始位置和走向分布。由圖可知,加熱功率較小時(shí)(50V),液態(tài)水容易在冰防護(hù)區(qū)發(fā)生凍結(jié),導(dǎo)致防冰失效。加熱功率越大,壁面吸收的熱量就越多,溢流水越容易保持液態(tài),所以,冰脊形成的初始位置就越往下游推后。

圖9 不同環(huán)境溫度下典型工況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

圖10 冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度隨加熱功率的變化Fig.10 Length of ice protection vs heater power

圖11 冰脊長(zhǎng)度隨加熱功率的變化Fig.11 Length of ice ridge vs heater power

圖12 不同加熱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 結(jié) 論

筆者采用實(shí)驗(yàn)的方法,研究了不同來流條件下電加熱對(duì)冰脊形成的影響,對(duì)冰脊形成機(jī)理進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下：

(1)隨著來流速度、加熱功率的增加,冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度增加,冰脊長(zhǎng)度往下游推后,反之,冰脊往上游靠近;

(2)環(huán)境溫度越低,溢流水溫度下降越快,形成冰脊的速度也越快,隨著環(huán)境溫度的降低,冰防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度減小,冰脊往上游靠近;

(3)如果加熱功率無法保持冰防護(hù)區(qū)表面溫度高于凍結(jié)溫度,冰防護(hù)區(qū)表面將產(chǎn)生凍結(jié),導(dǎo)致防冰失效;

(4)冰脊的縱向生長(zhǎng)規(guī)律是從冰防護(hù)區(qū)外下游某位置開始,逐步往冰防護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)展,最先產(chǎn)生冰脊的位置和壁面粗糙度、壁面溫度、表面張力、環(huán)境溫度和溢流水運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。

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