楊詩(shī)雨，常士楠，*，高艷欣，冷夢(mèng)堯，陶茂升

(1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191; 2.中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽(yáng)110015)

旋轉(zhuǎn)帽罩電加熱防冰瞬態(tài)過(guò)程研究

楊詩(shī)雨1，常士楠1，*，高艷欣2，冷夢(mèng)堯1，陶茂升1

(1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191; 2.中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽(yáng)110015)

基于歐拉兩相流理論，對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩水滴撞擊特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了旋轉(zhuǎn)部件表面對(duì)流換熱計(jì)算方法，并基于改進(jìn)Messinger結(jié)冰模型開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)帽罩電熱防冰計(jì)算程序，對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩瞬態(tài)防冰過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩表面對(duì)流換熱起到增強(qiáng)作用，且在供給相同加熱熱流密度時(shí)轉(zhuǎn)速越大，防冰表面溫度越低;防冰系統(tǒng)啟動(dòng)階段，旋轉(zhuǎn)帽罩表面會(huì)發(fā)生結(jié)冰和冰脫落現(xiàn)象，考慮結(jié)冰過(guò)程后系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間縮短;當(dāng)電加熱功率相同時(shí)，周期電加熱防冰方式更為節(jié)能;當(dāng)電加熱能耗相同時(shí)，周期電加熱方式系統(tǒng)響應(yīng)更快。

旋轉(zhuǎn)帽罩;防冰;旋轉(zhuǎn)換熱;結(jié)冰;水滴撞擊;周期性電加熱

0 引言

飛機(jī)在含有大量過(guò)冷水滴的云層中飛行時(shí)，其迎風(fēng)表面會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口旋轉(zhuǎn)帽罩作為飛機(jī)的迎風(fēng)部件，也會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)帽罩結(jié)冰會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)入口氣流品質(zhì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低。而且，其表面的冰如果發(fā)生脫落，被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損毀，造成重大飛行事故［1］。因此對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩進(jìn)行防冰研究很有必要。

目前飛機(jī)防冰數(shù)值模擬研究一般為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，分為空氣流場(chǎng)求解、水滴軌跡及撞擊特性求解、防冰表面熱平衡分析、固體導(dǎo)熱計(jì)算4個(gè)部分，忽略了防冰初期蒙皮表面溫度較低時(shí)的防護(hù)區(qū)域的結(jié)冰及冰脫落等動(dòng)態(tài)因素。但在實(shí)際過(guò)程中，為了防止系統(tǒng)溫度過(guò)高，電加熱防冰系統(tǒng)往往會(huì)采用間斷加熱的方式進(jìn)行防冰［2］。因此電加熱防冰是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，本文對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩電熱防冰瞬態(tài)過(guò)程研究，考慮了帽罩旋轉(zhuǎn)以及防冰初期結(jié)冰和冰脫落對(duì)系統(tǒng)傳熱量和防冰表面溫度的影響。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩防冰研究主要包括水滴撞擊特性計(jì)算［3-4］、防冰熱載荷計(jì)算［5］、結(jié)冰實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算［6-9］以及防冰實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算［10-11］。文獻(xiàn)［10］對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩熱氣防冰系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及仿真研究，但其將旋轉(zhuǎn)帽罩當(dāng)作靜止部件進(jìn)行研究，沒(méi)有考慮旋轉(zhuǎn)對(duì)其防冰性能的影響。文獻(xiàn)［11］對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩熱管防冰系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，考慮了帽罩的旋轉(zhuǎn)因素，但其采用的防冰傳熱模型中沒(méi)有進(jìn)行外部空氣-水滴流場(chǎng)的計(jì)算，并且在計(jì)算外部對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，采用的是文獻(xiàn)［12］中的實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果，但文獻(xiàn)［12］中的實(shí)驗(yàn)擬合公式只在低來(lái)流雷諾數(shù)情況下適用，對(duì)于高速飛行的飛機(jī)上的旋轉(zhuǎn)帽罩并不適用。

本文基于歐拉法，建立旋轉(zhuǎn)部件表面水滴撞擊特性計(jì)算模型［4］，求解旋轉(zhuǎn)帽罩表面水滴收集系數(shù)?；谶吔鐚臃e分法［13-14］及實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果［15-16］對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩表面對(duì)流換熱進(jìn)行計(jì)算，獲得旋轉(zhuǎn)帽罩表面換熱系數(shù);根據(jù)改進(jìn)Messinger［17］模型建立考慮壁面熱傳導(dǎo)的傳熱傳質(zhì)方程，通過(guò)Fluent二次開(kāi)發(fā)，模擬出旋轉(zhuǎn)帽罩電加熱防冰動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1 物理模型

旋轉(zhuǎn)帽罩為長(zhǎng)軸直徑0.6m，短軸直徑0.44m的半橢球回轉(zhuǎn)體。蒙皮為鋁合金材料，厚度5 mm。如圖1所示，在其內(nèi)表面貼有電加熱器供熱，電加熱器采用無(wú)間隔的加熱單元。電加熱器主要由環(huán)氧有機(jī)玻璃層、電加熱單元、橡膠層組成，厚度分別為0.3mm、0.08mm、2.6mm。

旋轉(zhuǎn)帽罩的電加熱范圍是在平均有效直徑為40μm的水滴撞擊范圍的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)展得到的［1］。電加熱防護(hù)區(qū)域在x方向(圖1中坐標(biāo)系)的范圍為－0.18m～0m。

圖1 電加熱防冰物理模型示意圖Fig.1 Electric heating anti-icing physical model

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 水滴相數(shù)學(xué)模型

在結(jié)冰條件下，水滴直徑一般在10-5m量級(jí)，水滴相體積分?jǐn)?shù)在10-6量級(jí)。在計(jì)算中，可以對(duì)水滴場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行合理的假設(shè):①水滴是球形，不發(fā)生變形和破碎;②水滴撞擊到壁面之后，即被壁面捕獲，不發(fā)生飛濺反彈;③水滴在空氣場(chǎng)中處于熱質(zhì)平衡狀態(tài);④由于水滴所受的離心力對(duì)水滴撞擊特性影響很小，忽略水滴的離心力［4］。水滴相控制方程如下［4］。

式(1)和式(2)分別為水滴相的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，其中α是水滴體積分?jǐn)?shù);ρd和ud為水滴的密度和速度;ua為空氣速度;K為水滴慣性系數(shù)。

水滴慣性系數(shù)表達(dá)式為:

式中n為旋轉(zhuǎn)帽罩壁面單元的法向單位向量，α0為遠(yuǎn)場(chǎng)中的水滴相體積分?jǐn)?shù)。

2.2 帽罩表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)模型

旋轉(zhuǎn)帽罩表面微元控制體的質(zhì)量流入流出如圖2所示，mc為微元體內(nèi)收集到的水量;mrin為從上一個(gè)控制體流入的水量;me為蒸發(fā)帶走的水量;mi為凍結(jié)成冰的水量(在防冰系統(tǒng)啟動(dòng)初期，帽罩表面溫度低于273.15 K時(shí)需要考慮，在帽罩表面溫度大于273.15K時(shí)，不會(huì)發(fā)生結(jié)冰);mrout為流入到下一個(gè)控制體的水量?？刂茊卧馁|(zhì)量控制方程為:

旋轉(zhuǎn)帽罩表面局部水滴收集系數(shù)β為旋轉(zhuǎn)帽罩實(shí)際水撞擊量與最大可能撞擊量之比，計(jì)算公式為［4］:

圖2 微元體內(nèi)質(zhì)量平衡Fig.2 Mass balance in m icro-unit

微元體內(nèi)的能量的流入流出如圖3所示，mciw，T為收集的水帶入的焓;mriniw，sur為上一個(gè)控制體流入的水帶入的焓;meiv，sur為蒸發(fā)的水的焓及蒸發(fā)吸熱; miii，sur為凍結(jié)水的焓及凍結(jié)放熱，mroutiw，sur為流出控制體水的焓。qa為對(duì)流換熱熱流，qk為向蒙皮導(dǎo)熱熱流，Δs為微元體的面積。其控制方程為:

圖3 微元體內(nèi)的能量平衡Fig.3 Energy balance in m icro-unit

在能量平衡方程中，水凍結(jié)放熱熱流的值很大，而凍結(jié)水的量主要由凍結(jié)系數(shù)決定。所謂凍結(jié)系數(shù)是指控制體中水的凍結(jié)量與控制體內(nèi)總液態(tài)水量之比，如果凍結(jié)系數(shù)求解存在誤差，容易導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散。所以計(jì)算出準(zhǔn)確的凍結(jié)系數(shù)很重要。

本文采用對(duì)分法迭代法求解凍結(jié)系數(shù)，在每一個(gè)防冰的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，都進(jìn)行對(duì)分迭代，直到求出準(zhǔn)確的凍結(jié)系數(shù)。對(duì)于某一個(gè)控制體的計(jì)算流程為:

1)首先設(shè)定兩個(gè)變量a、b，其初始值分別為0和1;

2)令凍結(jié)系數(shù)等于b，根據(jù)上一時(shí)刻的控制體溫度Tw，i-1，j，及上一個(gè)控制體流出的水量mrout，i，j-1求解質(zhì)量及能量平衡方程，最終求解出當(dāng)前時(shí)刻當(dāng)前控制體的溫度Tw，i，j;

3)若Tw，i，j小于273.15K，則凍結(jié)系數(shù)f=1，結(jié)束迭代;若Tw，i，j大于273.15 K，則令f=0.5(a+b)，重新計(jì)算Tw，i，j;

4)若Tw，i，j小于273.15K，則令a=0.5(a+b)，否則令b=0.5(a+b)。

5)令f=0.5(a+b)，重新計(jì)算Tw，i，j;

6)計(jì)算|Tw，i，j－273.15|的大小，若其大小小于微小量ε，則認(rèn)為迭代收斂，退出迭代，輸出凍結(jié)系數(shù)大小;若其大小大于微小量ε，則重復(fù)步驟4)、5)、6)。

本文使用Fluent軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩進(jìn)行固體導(dǎo)熱計(jì)算。使用Fluent自定義函數(shù)功能將防冰表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)方程寫(xiě)入到Fluent［18］中，在進(jìn)行固體導(dǎo)熱計(jì)算的每一步，都會(huì)進(jìn)行防冰熱載荷、水膜流動(dòng)及結(jié)冰更新計(jì)算，并將計(jì)算得到的熱載荷作為下一步固體表面計(jì)算的熱邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境和固體熱傳遞功能。

與靜止部件相比，旋轉(zhuǎn)帽罩外部是受旋轉(zhuǎn)影響的復(fù)雜流場(chǎng)。表面附近氣流在帽罩旋轉(zhuǎn)作用下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的氣流又會(huì)受到離心力的影響，起到增強(qiáng)換熱的作用［19］。針對(duì)這種復(fù)雜流動(dòng)，下面將提出對(duì)流換熱的計(jì)算方法。

由過(guò)增元院士提出的場(chǎng)協(xié)同理論［20］可知，流體的流動(dòng)對(duì)于換熱并不一定起到增強(qiáng)作用，而是與其流動(dòng)方向和熱傳遞方向的夾角有關(guān)，換熱增強(qiáng)的能力與兩者夾角的余弦值正相關(guān)。當(dāng)夾角小于90°時(shí)，夾角越小，換熱強(qiáng)度越大，當(dāng)兩者方向一致時(shí)達(dá)到最大。若兩者速度夾角為90°時(shí)，流場(chǎng)的流動(dòng)并不能起到增強(qiáng)換熱的作用。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)帽罩，在其旋轉(zhuǎn)時(shí)，在壁面摩擦力的作用下，帽罩壁面附近氣流只會(huì)產(chǎn)生切向速度。而旋轉(zhuǎn)帽罩表面的熱傳遞方向?yàn)槊闭址ň€方向，兩者的夾角為90°，由上面介紹的場(chǎng)協(xié)同理論可知，流體的切向速度并不能起到增強(qiáng)換熱的作用。而旋轉(zhuǎn)帽罩周?chē)臍饬魉艿碾x心力會(huì)使氣流產(chǎn)生徑向速度，其與熱傳遞方向的夾角在0°到90°之間，能夠起到增強(qiáng)換熱的作用。可見(jiàn)帽罩旋轉(zhuǎn)的增強(qiáng)換熱作用主要是由離心力引起的。所以可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)換熱是具有體積力的自然對(duì)流換熱［13］，文獻(xiàn)［21］中的研究也證明了這一點(diǎn)。

為了方便求解旋轉(zhuǎn)帽罩的表面換熱系數(shù)，將外流場(chǎng)拆分為兩種換熱方式:來(lái)流方向的強(qiáng)迫對(duì)流換熱和旋轉(zhuǎn)引起的自然對(duì)流換熱。分別求解兩者的換熱系數(shù)，然后通過(guò)下面公式［22］計(jì)算綜合換熱系數(shù)。

其中Nu為綜合努塞爾數(shù)，NuFo、NuRo分別為強(qiáng)迫對(duì)流及自然對(duì)流的努塞爾數(shù)。

強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算方法主要有雷諾比擬法及邊界層積分方法。本文采用文獻(xiàn)［13］中的邊界層積分方法計(jì)算遠(yuǎn)離駐點(diǎn)區(qū)域的換熱系數(shù)，文中不再進(jìn)行介紹。由于邊界積分法在對(duì)邊界層厚度計(jì)算時(shí)采用的假設(shè)在駐點(diǎn)附近不成立，故駐點(diǎn)附近的換熱系數(shù)采用圓柱換熱公式［23］進(jìn)行計(jì)算:

式中ReD是以旋轉(zhuǎn)帽罩前緣直徑為特征尺寸的雷諾數(shù)。

由于目前沒(méi)有針對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩外形的旋轉(zhuǎn)換熱研究，旋轉(zhuǎn)對(duì)流換熱的努塞爾數(shù)近似采用圓柱旋轉(zhuǎn)換熱實(shí)驗(yàn)擬合公式［15-16］來(lái)計(jì)算:

3 算例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證研究方法的正確性，將該方法計(jì)算的帽罩表面對(duì)流換熱系數(shù)、水滴收集系數(shù)及溫度結(jié)果分別與成熟的商業(yè)軟件Fluent、FENSAP-ICE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。計(jì)算中采用的環(huán)境溫度為263.15K，環(huán)境壓力101 kPa，飛行速度60m/s，液態(tài)水含量1 g/m3水滴直徑20μm，電加熱功率密度為3W/cm2。

首先對(duì)對(duì)流換熱熱流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，見(jiàn)圖4。s為駐點(diǎn)到表面上任一點(diǎn)的弧長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)帽罩表面為288.15K定溫邊界條件。從圖中可以看出，本文計(jì)算結(jié)果和Fluent數(shù)值計(jì)算結(jié)果沿帽罩弧長(zhǎng)分布趨勢(shì)一致。由于沖擊作用，對(duì)流換熱熱流在駐點(diǎn)處為極大值;從駐點(diǎn)往后，帽罩表面先為層流，后來(lái)發(fā)生轉(zhuǎn)捩為湍流，換熱量急劇增加;隨著湍流發(fā)展，邊界層厚度增厚，換熱量又逐漸減小。

圖4 帽罩表面對(duì)流換熱熱流分布Fig.4 Nose cone surface convective heat transfer of heat flow distribution

從數(shù)值計(jì)算結(jié)果和本文計(jì)算結(jié)果來(lái)看，旋轉(zhuǎn)會(huì)使帽罩表面對(duì)流換熱明顯增強(qiáng)，特別是在旋轉(zhuǎn)帽罩后緣，帽罩直徑增大，帽罩表面附近的空氣所受到的離心力增加，導(dǎo)致較強(qiáng)的換熱增強(qiáng)。但由于方法不同，有一定的誤差。

圖5是旋轉(zhuǎn)帽罩表面局部水滴收集系數(shù)計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，本文的計(jì)算結(jié)果與FENSAP計(jì)算結(jié)果基本吻合，說(shuō)明本文的水滴收集系數(shù)計(jì)算結(jié)果是合理的。

圖5帽罩表面局部收集系數(shù)分布Fig.5 Nose cone surface local collection coefficient distribution

圖6是不同時(shí)間點(diǎn)帽罩表面溫度分布情況?？梢钥闯霰疚挠?jì)算的表面溫度分布趨勢(shì)與FENSAP計(jì)算結(jié)果一致。在駐點(diǎn)附近，由于收集的水較多，防冰熱載荷較大，其溫度較低;往后推移，表面溫度逐漸升高;防護(hù)區(qū)以外的表面溫度最低。由于在計(jì)算熱質(zhì)平衡時(shí)，采用的方法不同，存在一定的誤差。

圖6 帽罩表面溫度分布Fig.6 Nose cone surface tem perature distribution

4 結(jié)果分析

4.1 電加熱防冰啟動(dòng)特性

在電熱防冰系統(tǒng)啟動(dòng)初期，旋轉(zhuǎn)帽罩表面溫度低于冰點(diǎn)溫度，旋轉(zhuǎn)帽罩表面會(huì)發(fā)生結(jié)冰，且當(dāng)帽罩表面溫度高于0℃時(shí)會(huì)發(fā)生冰脫落現(xiàn)象［24-26］。所以旋轉(zhuǎn)帽罩電熱防冰啟動(dòng)階段是帶有相變的復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。圖7為電加熱防冰啟動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)帽罩駐點(diǎn)處的結(jié)冰厚度、冰層外表面溫度及冰和蒙皮之間溫度變化情況。

加熱功率密度為1W/cm2，轉(zhuǎn)速3000 r/min，其他條件如環(huán)境溫度、來(lái)流速度、來(lái)流壓力、水滴直徑、液態(tài)水含量等采用與第三節(jié)的相同數(shù)值。從圖7中可以看出，在前19 s，駐點(diǎn)處表面溫度在0℃以下，會(huì)發(fā)生結(jié)冰。在前18 s，由于駐點(diǎn)冰表面溫度較低，撞擊到表面的水全部?jī)鼋Y(jié)，會(huì)結(jié)霜冰;當(dāng)冰表面溫度達(dá)到0℃時(shí)，收集的水部分凍結(jié)，結(jié)明冰，冰表面溫度維持在冰點(diǎn)。但由于電加熱器的加熱作用，冰層底部和旋轉(zhuǎn)帽罩表面溫度很快達(dá)到0℃以上，發(fā)生冰脫落，帽罩表面進(jìn)入無(wú)冰狀態(tài)。

圖7 電熱防冰啟動(dòng)過(guò)程Fig.7 Boot p rocess of electro-thermal deicing

圖8為考慮結(jié)冰和不考慮結(jié)冰兩種計(jì)算方法下，帽罩表面溫度變化情況?？梢悦黠@看出當(dāng)考慮帽罩表面結(jié)冰時(shí)，帽罩表面溫度更快地達(dá)到0℃，這主要是由結(jié)冰潛熱對(duì)帽罩加熱引起的。這說(shuō)明帽罩表面結(jié)冰加快了防冰系統(tǒng)的啟動(dòng)。但當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，帽罩表面溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，兩種方法計(jì)算的穩(wěn)定溫度相同。這說(shuō)明對(duì)于連續(xù)加熱穩(wěn)態(tài)防冰研究，可以不考慮結(jié)冰對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩表面溫度的影響，但對(duì)動(dòng)態(tài)防冰進(jìn)行研究時(shí)，則不能忽略。

圖8 兩種電熱防冰計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比Fig.8 Results contrast of two calculation methods of electric heating anti-icing

4.2 旋轉(zhuǎn)對(duì)防冰表面溫度的影響

為了研究旋轉(zhuǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)帽罩電熱防冰性能的影響，選取了三種轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，電加熱功率密度為3W/cm2。由第3節(jié)可知，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越大，帽罩表面換熱系數(shù)越大，這也就增大帽罩表面的防冰熱載荷需求。圖9的結(jié)果也顯示帽罩轉(zhuǎn)速越大，在同等電加熱防冰功率情況下，帽罩表面溫度越低。

圖9 轉(zhuǎn)速對(duì)防冰表面溫度的影響Fig.9 Influence of rotating speed on the anti-icing surface temperature

4.3 兩種加熱方式的比較

與連續(xù)電加熱防冰相比，一般認(rèn)為周期性電加熱除冰在節(jié)能和快速響應(yīng)方面更有優(yōu)勢(shì)［27］。所謂周期性電加熱除冰［28］是指除冰系統(tǒng)周期性地通電和斷電進(jìn)行除冰。電加熱防冰同樣可以使用周期性電加熱。在通電加熱時(shí)，帽罩表面溫度會(huì)快速升高，而在斷電時(shí)，表面溫度會(huì)下降，但始終維持表面溫度在0℃以上，從而實(shí)現(xiàn)防冰。

當(dāng)加熱器功率相同時(shí)，周期性電加熱時(shí)，由于防冰系統(tǒng)并不是一直加熱，在斷電階段并不消耗能量，所以周期性電熱防冰具有節(jié)能效果。如圖10所示，在3W/cm2的加熱功率下，駐點(diǎn)溫度在周期電加熱防冰情況下更低，不容易過(guò)熱，在實(shí)現(xiàn)防冰功能的同時(shí)，耗能更少。

圖10 兩種電加熱方式的駐點(diǎn)溫度對(duì)比Fig.10 Stagnation temperature contrast w ith two kinds of electric heating mode

當(dāng)能耗相同時(shí)(例如在圖10中，加熱器功率3W/cm2，加熱時(shí)間10 s，斷電時(shí)間10 s時(shí)的防冰耗能與加熱功率1.5 W/cm2但連續(xù)加熱時(shí)的防冰能耗是相同的)。啟動(dòng)防冰系統(tǒng)初期，周期電加熱防冰的表面溫度響應(yīng)更快，能夠更早地達(dá)到0℃以上。在后期，連續(xù)加熱的表面溫度會(huì)穩(wěn)定在某一溫度值，而周期性電加熱的表面溫度則會(huì)圍繞這一溫度值穩(wěn)定波動(dòng)。

由于周期電加熱表面溫度的谷值小于相同能耗下連續(xù)加熱的穩(wěn)定溫度，所以其發(fā)生結(jié)冰的可能性更大。特別是在能耗較低時(shí)，如圖10所示，加熱功率為0.5W/cm2，連續(xù)加熱的表面穩(wěn)定溫度略大于0℃，能夠?qū)崿F(xiàn)防冰。加熱器功率3W/cm2，加熱時(shí)間10s，斷電時(shí)間50 s的能耗與之相同，但在斷電冷卻階段，溫度會(huì)降到0℃，發(fā)生結(jié)冰。由于其結(jié)的冰為明冰，故冰表面維持在0℃，帽罩駐點(diǎn)溫度也維持在0℃左右，當(dāng)加熱再次啟動(dòng)時(shí)，駐點(diǎn)溫度才開(kāi)始上升，發(fā)生冰脫落。

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)電加熱功率相同時(shí)，周期電加熱防冰更為節(jié)能;當(dāng)電加熱能耗相同時(shí)，周期電加熱系統(tǒng)啟動(dòng)響應(yīng)更快，但相應(yīng)增加了結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)帽罩表面對(duì)流換熱起到增強(qiáng)作用，從而會(huì)導(dǎo)致防冰熱載荷增加。旋轉(zhuǎn)速度越大，帽罩防冰表面溫度越低，所需要的防冰熱載荷越大。

電熱防冰啟動(dòng)階段是復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，考慮表面結(jié)冰情況會(huì)縮短表面溫度響應(yīng)時(shí)間。在對(duì)動(dòng)態(tài)防冰進(jìn)行研究時(shí)，不能忽略結(jié)冰的影響。

當(dāng)電加熱功率相同時(shí)，周期電加熱防冰更為節(jié)能;當(dāng)電加熱能耗相同時(shí)，周期電加熱系統(tǒng)啟動(dòng)響應(yīng)更快，結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)增加。

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Investigation of rotary cone electric heating anti-icing transient process

Yang Shiyu1，Chang Shinan1，*，Gao Yanxin2，Leng Mengyao1，Tao Maosheng1
(1.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China; 2.Shenyang Engine Design Institute，China Aviation Industry Corporation I，Shenyang 110015，China)

Icing on the rotary cone surface of an aircraft engine may cause flight safety problem.Some works including the drops impingement characteristics of rotary cone based on Eulerian two-phase flow theory，presenting of the surface convective heat transfer calculation method of rotating part and the development of electro-thermal anti-icing calculating program based on improved Messinger freezing model were presented in this paper.Based on those researches，several benchmark examples were tested to verify the methods，to research the anti-icing transient process and predict the performance of periodic electric-heating anti-icing system.The results showed that the rotation of the rotary cone could enhance convective heat transfer，the surface temperature was lower with greater revolving speed under the same heating power.During Anti-icing system startup stage，icing and ice shedding phenomenon happened，and the response time of the system with freezing was reduced.Using the same electric heating power，the energy efficient of periodic electrical heating anti-icing process was higher，while with the same electric heating energy consumption，the response speed of periodic electric heating anti-icing system was faster，however it faced more risks of freeze.

nose cone;anti-icing;rotating heat transfer;icing;droplet impingement;periodic electric heating

V211.3;V228.7+1

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0180

0258-1825(2016)03-0289-07

2015-09-21;

2016-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(11372026，11072019)

楊詩(shī)雨(1989-)，男，河南人，碩士，研究方向:飛機(jī)防除冰技術(shù)研究.E-mail:yangshiyu@buaa.edu.cn

常士楠*(1968-)，女，山西榆次人，博士，教授，研究方向:飛機(jī)防冰技術(shù)，人機(jī)環(huán)境工程，制冷技術(shù)等.E-mail:sn_chang@buaa.edu.cn

楊詩(shī)雨，常士楠，高艷欣，等.旋轉(zhuǎn)帽罩電加熱防冰瞬態(tài)過(guò)程研究［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34(3):289-294.

10.7638/kqdlxxb-2015.0180 Yang S Y，Chang S N，Gao Y X，et al.Investigation of rotary cone electric heating anti-icing transient process［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(3):289-294.