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飛機(jī)結(jié)冰探測器安裝位置研究

2022-04-27 01:45吳佩佩
關(guān)鍵詞:液態(tài)水結(jié)冰水滴

吳佩佩,晏 濤,任 杰

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610092)

飛機(jī)結(jié)冰會造成飛機(jī)氣動性能和操縱品質(zhì)的下降,是嚴(yán)重威脅飛行安全的六大殺手之一,結(jié)冰嚴(yán)重時甚至可導(dǎo)致機(jī)毀人亡的重大事故[1?3]。結(jié)冰探測器作為飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分,用于實(shí)時探測飛機(jī)結(jié)冰信號,發(fā)出報警信號。飛機(jī)根據(jù)結(jié)冰報警信號,及時開啟防冰或除冰系統(tǒng),能夠降低飛機(jī)失事的可能性,保證飛機(jī)在復(fù)雜結(jié)冰氣象條件下的飛行安全。因此獲得準(zhǔn)確的結(jié)冰探測信號對于指導(dǎo)飛機(jī)防/除冰系統(tǒng)的工作狀態(tài)非常關(guān)鍵。結(jié)冰探測器根據(jù)功能特點(diǎn)的不同可分為平膜式和探頭式兩種[4]。結(jié)冰探測器在機(jī)上的安裝位置要保證其滿足結(jié)冰探測要求。平膜式結(jié)冰探測器通常安裝在易結(jié)冰的迎風(fēng)部位,如機(jī)翼、尾翼表面等。探頭式結(jié)冰探測器一般安裝在機(jī)頭表面,探頭伸出機(jī)身,探測外界大氣環(huán)境,根據(jù)探頭表面結(jié)冰情況決策是否開啟防除冰系統(tǒng)。

國內(nèi)外對結(jié)冰探測器的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能研究比較深入[5?7],近些年對于過冷大水滴結(jié)冰探測有一些研究[8?9],對安裝位置選擇相關(guān)研究報道相對較少。2001 年,Cober 等[10]研究表明只要結(jié)冰探測器位于水滴遮蔽區(qū)外,則安裝位置對于探測結(jié)果影響不大。Jackson 等[11]理論分析了結(jié)冰探測器的性能及安裝位置要求,George 等[12]提出了選取結(jié)冰探測器安裝位置需遵循的一些基本原則,并定性地給出了常見的安裝位置。張杰等[3]研究了國內(nèi)外的結(jié)冰探測傳感器的原理、類別等。朱程香等[13]研究不同飛行條件和氣象條件下的廣義水滴遮蔽高度大小,基于廣義水滴遮蔽高度大小研究了探頭式結(jié)冰探測器的安裝位置。劉?。?4]研究了平膜式結(jié)冰探測器的安裝位置,闡述了平膜式結(jié)冰探測器安裝位置分析的策略和方法。

本文主要針對某型飛機(jī)探頭式結(jié)冰探測器,基于三維數(shù)值仿真,分析該飛機(jī)不同結(jié)冰飛行條件下流場和水滴撞擊仿真結(jié)果,引入危險位置點(diǎn)的概念,計算探測器安裝位置參考區(qū)域內(nèi)的危險位置點(diǎn)坐標(biāo),確定了適合安裝結(jié)冰探測器的位置區(qū)域;對結(jié)冰探測器探頭表面的水滴收集特性和結(jié)冰特性進(jìn)行分析,研究結(jié)冰探測器的水滴撞擊特性和結(jié)冰特性與飛機(jī)主要迎風(fēng)部件表面如機(jī)翼和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道等部件水滴撞擊特性和結(jié)冰特性的對應(yīng)關(guān)系,全面模擬了結(jié)冰探測器的探測性能,驗(yàn)證了結(jié)冰探測器安裝位置的合理性。

1 某型機(jī)結(jié)冰探測器概況及安裝位置要求

1.1 結(jié)冰探測器

某型飛機(jī)上選用探頭式結(jié)冰探測器,如圖1所示。結(jié)冰探測器露出機(jī)頭表面部分主要分為基座和探頭兩部分,總高度為80 mm,,其中探測器基座高度為55 mm,探頭高度為25 mm。當(dāng)飛機(jī)遭遇結(jié)冰氣象條件時,過冷水滴撞擊到結(jié)冰探測器探頭上,探頭開始結(jié)冰,結(jié)冰量達(dá)到一定程度后,探頭振動頻率隨結(jié)冰質(zhì)量的增加而下降,當(dāng)下降到設(shè)定值時發(fā)出結(jié)冰告警信號,配合飛機(jī)防除冰系統(tǒng),可使飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下減小結(jié)冰失事風(fēng)險。

圖1 探頭式結(jié)冰探測器Fig1 Probe ice detector

1.2 安裝位置要求

綜合國內(nèi)外對于結(jié)冰探測器安裝位置的研究,結(jié)冰探測器安裝位置選擇的基本原則主要包括以下4 點(diǎn):(1)探頭伸出水滴遮蔽區(qū),過冷水滴能撞擊到探頭上;(2)避免安裝在氣流分離區(qū)和滯止區(qū);(3)探頭伸出氣流附面層;(4)避免與大氣數(shù)據(jù)傳感器發(fā)生氣動干擾,避開雷達(dá)罩、登機(jī)門和機(jī)組逃生通道等結(jié)構(gòu)限制。

為確保結(jié)冰探測信號準(zhǔn)確及時,需對機(jī)頭表面進(jìn)行流場和水滴特性計算,分析結(jié)冰探測器附近水滴濃度,以使結(jié)冰探測器安裝位置符合基本原則。

2 計算方法

2.1 流場計算

假設(shè)氣流為不可壓縮牛頓流體,在不考慮重力場的條件下求解穩(wěn)態(tài)模型,可采用如下N?S 方程[15]

式中:V為氣流速度;ρ為空氣密度;p為靜壓;μ為動力黏度。

2.2 水滴撞擊特性計算

式中:n為壁面法線單位向量;αa為來流水滴體積分?jǐn)?shù);αw為微元體水滴體積分?jǐn)?shù)。

2.3 結(jié)冰計算

綜合考慮影響結(jié)冰的各項(xiàng)因素,根據(jù)質(zhì)量和能量守恒原理,建立結(jié)冰熱力學(xué)模型。探測器表面及飛機(jī)其他結(jié)冰表面微元體的質(zhì)量守恒和能量守恒關(guān)系[16?17]如圖2、3 所示。

圖2 結(jié)冰表面微元體質(zhì)量平衡Fig.2 Mass balance of icing surface micro-elements

根據(jù)質(zhì)量及能量守恒定律,可得

圖3 結(jié)冰表面微元體能量平衡Fig.3 Energy balance of icing surface micro-elements

式中:mfrz為當(dāng)前微元體的結(jié)冰質(zhì)量;qfrz為凍結(jié)而釋放的潛熱;min為流入當(dāng)前微元體的質(zhì)量;qin為前一微元體帶入的熱量;mimp為撞擊到當(dāng)前微元體的水滴質(zhì)量;qimp為收集水帶入的熱量;mevap為微元體蒸發(fā)的質(zhì)量;qevap為蒸發(fā)帶走的熱量;mout為流出微元體的質(zhì)量;qout為對應(yīng)流出的熱量;qvisc為氣動加熱熱量;qconv為與外界的對流換熱熱量。

上述各項(xiàng)熱流的計算公式如下[18]

式中:h為表面與外界的傳熱系數(shù),Ts為表面溫度;Tl為附面層溫度;Levap為水的汽化蒸發(fā)潛熱;Tw,in、Tw分別為前一微元體和當(dāng)前微元體的液態(tài)水溫度;r*為無量綱附面層恢復(fù)系數(shù),與氣體的普朗特數(shù)有關(guān);cp,w為水的比定壓熱容;Lfrz為水凍結(jié)成冰的的相變潛熱,ci為冰的比熱容。

引入凍結(jié)系數(shù)f,定義為微元體內(nèi)液態(tài)水的結(jié)冰質(zhì)量流量與進(jìn)入該微元體的質(zhì)量流量的比值,即

式中,f的取值范圍為0 ≤f≤1。將式(13)及各質(zhì)量項(xiàng)和能量項(xiàng)公式代入式(5,6)中求解得到各微元體內(nèi)的結(jié)冰量。

3 結(jié)冰探測器安裝位置分析

3.1 計算條件

為準(zhǔn)確預(yù)測流場及水滴特性,計算條件的選取非常重要。根據(jù)某型飛機(jī)的飛行包線,選取了飛機(jī)爬升、平飛和下滑3 個飛行狀態(tài)時的典型高度、馬赫數(shù)和迎角作為飛行條件。環(huán)境溫度在結(jié)冰概率較高的溫度區(qū)間-5~-25 ℃之間選取。水滴直徑取20 μm。液態(tài)水含量在中國民航規(guī)章25 部附錄C 中根據(jù)水滴直徑和環(huán)境溫度確定。6種不同計算條件如表1 所示,其中LWC 表示液態(tài)水含量。

表1 6 種計算條件Table 1 Six calculation conditions

3.2 流場及水滴場分析

基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖4 所示。曲線F1和F2之間的機(jī)頭區(qū)域?yàn)榻Y(jié)冰探測器布置范圍,選取機(jī)身表面的點(diǎn)R(Suggested point)為重點(diǎn)考慮位置。過機(jī)身軸線和點(diǎn)R的平面為F0平面,過機(jī)身軸線和曲線F1的平面為F1平面,過機(jī)身軸線和曲線F2的平面為F2平面,以下計算和分析主要針對這3 個平面。

圖4 F0、F1、F2平面示意圖Fig.4 Plane of F0, F1, F2

采用結(jié)冰軟件FENSAP?ICE 對表1 中6 種不同條件下的結(jié)冰狀態(tài)進(jìn)行三維流場和水滴撞擊特性分析。6 種條件(Cases 1~6)下機(jī)頭附近F0截面的液態(tài)水含量分布如圖5 所示。結(jié)冰探測器的長度以三點(diǎn)兩段線(分別表示探測器基座和探頭的長度)的形式放置在點(diǎn)R處。為便于區(qū)分圍繞飛機(jī)機(jī)頭的水滴遮蔽區(qū)、濃度增加區(qū)和遠(yuǎn)場來流濃度區(qū),本文定義:當(dāng)?shù)鼐植课恢玫囊簯B(tài)水含量(LWCi)<遠(yuǎn)場來流的液態(tài)水含量(LWC0)時為水滴濃度遮蔽區(qū);LWCi>LWC0時為水滴濃度增加區(qū);LWCi=LWC0時為遠(yuǎn)場來流濃度區(qū)。

圖5 表1 計算條件下機(jī)頭周圍F0截面液態(tài)水含量分布云圖Fig.5 Liquid water content distribution of F0 section around nose under conditions in Table 1

如圖5 所示,截面與機(jī)體表面的交線與濃度增加區(qū)底部之間的深藍(lán)色區(qū)域即為水滴濃度遮蔽區(qū)。本文定義機(jī)頭表面水滴濃度增加區(qū)開始明顯出現(xiàn)的位置及水滴濃度遮蔽區(qū)大于探測器基座高度55 mm 的位置為危險位置點(diǎn)(Dangerous point,DP)。為確保結(jié)冰探測器探測性能的可靠性,適合放置結(jié)冰探測器位置的區(qū)域應(yīng)為上述兩個危險位置點(diǎn)之間的區(qū)域。

從圖5 中可以看出,交線F0上的兩個危險位置點(diǎn)已經(jīng)標(biāo)識在圖中,探測器的安裝位置處于兩個危險位置點(diǎn)之間,安裝位置處的水滴濃度遮蔽區(qū)非常薄,探測器長度遠(yuǎn)大于遮蔽區(qū)高度,探測器探頭部分位于水滴濃度的增加區(qū)內(nèi),能夠保證結(jié)冰探測器探測性能的靈敏性。

將6 種條件下3 個截面的危險點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)注在機(jī)體表面,如圖6 所示?;谏鲜龇治?,可以認(rèn)為危險位置點(diǎn)聚集的兩處區(qū)域之間的部分為適合安放結(jié)冰探測器的位置區(qū)域。因此,結(jié)合危險位置點(diǎn)的坐標(biāo)選取y方向的兩個截面S1 和S2,這兩個截面與F1和F2分別相交于A、B、C、D4 點(diǎn)。則四邊形ABCD即為適合安裝結(jié)冰探測器的位置區(qū)域,點(diǎn)R位于該四邊形的中間區(qū)域內(nèi)。

圖6 結(jié)冰探測器建議安裝范圍示意圖Fig.6 Recommended installation range of ice detector

4 結(jié)冰探測器水滴收集特性和結(jié)冰特性計算

4.1 結(jié)冰探測器水滴收集特性計算

為保證結(jié)冰探測器探測信號的準(zhǔn)確性,應(yīng)確保探測器表面有水滴撞擊,且探頭表面的最大收集系數(shù)應(yīng)大于機(jī)身表面主要迎風(fēng)部件如發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口和機(jī)翼前緣等的最大收集系數(shù)。選取條件1,通過FENSAP?ICE 三維仿真,分析了R位置處結(jié)冰探測器的水滴流場特性。

圖7、8 分別為條件1 下結(jié)冰探測器周圍和探測器表面的液態(tài)水含量分布及探測器表面的水滴收集特性。結(jié)果表明,探測器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)伸出水滴濃度遮蔽區(qū),探頭表面的液態(tài)水含量高于來流的液態(tài)水含量分布,氣流中有足夠的水滴撞擊在探頭的表面上,保證了探頭表面液態(tài)水收集的靈敏性。

圖7 條件1 下探測器周圍及表面液態(tài)水含量分布云圖Fig.7 Liquid water content distribution around and on sur?face of detector of Case 1

圖8 條件1 下局部收集系數(shù)在探測器表面的分布Fig.8 Distribution of local collection coefficient on detector surface of Case 1

相對于飛機(jī)迎風(fēng)部件如機(jī)翼前緣,探頭式結(jié)冰探測器的尺寸非常小,其局部水收集系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)翼、尾翼等表面的局部水收集系數(shù),因此只要結(jié)冰探測器探頭布置于水滴遮蔽區(qū)外,探頭的局部水收集系數(shù)必定大于飛機(jī)迎風(fēng)部件表面的局部水收集系數(shù)[13]。

4.2 結(jié)冰探測器結(jié)冰特性計算

在確保探測器表面有水滴撞擊的同時,還應(yīng)保證探測器探頭表面的結(jié)冰特性等級不低于機(jī)身表面主要迎風(fēng)部件如發(fā)動機(jī)唇口和機(jī)翼前緣等的結(jié)冰特性等級。而評價結(jié)冰探測器結(jié)冰特性主要從結(jié)冰強(qiáng)度和結(jié)冰程度兩個方面入手。在以下的分析中,選取爬升階段(條件1)、平飛階段(條件4)和下滑階段(條件5)3 種典型的結(jié)冰條件,采用FENSAP?ICE 軟件三維仿真,分析R處結(jié)冰探測器的結(jié)冰特性。

4.2.1 結(jié)冰強(qiáng)度

結(jié)冰強(qiáng)度指冰在飛機(jī)部件表面形成的速度,即在單位時間內(nèi)的結(jié)冰厚度,單位為mm/min。結(jié)冰強(qiáng)度可分為弱、中度、強(qiáng)和極強(qiáng)4 個等級,如表2所示[18]。

表2 結(jié)冰強(qiáng)度等級Table 2 Icing intensity level

根據(jù)飛機(jī)使用的結(jié)冰探測器的工作原理,其探頭表面結(jié)冰厚度達(dá)到0.5 mm 時,探測系統(tǒng)開始告警,探頭表面結(jié)冰厚度達(dá)到1.0 mm 時,探頭開始加熱除冰。因此,本文通過結(jié)冰仿真得到探頭表面結(jié)冰厚度為0.5 mm 和1.0 mm 的時間間隔Δt,確定在該時間段內(nèi)探測器表面的結(jié)冰厚度Δh,進(jìn)而得出探測器的結(jié)冰強(qiáng)度J0(J0=Δh/Δt)。同時,為了獲得結(jié)冰告警期間對應(yīng)的其他部件結(jié)冰情況,計算同樣結(jié)冰環(huán)境中相同時間段(Δt)內(nèi)機(jī)翼和發(fā)動機(jī)唇口處的最大結(jié)冰厚度(分別為Δδ1和Δδ2)。

表3 為3 種結(jié)冰條件下探測器探頭表面結(jié)冰強(qiáng)度、發(fā)動機(jī)唇口結(jié)冰強(qiáng)度和機(jī)翼結(jié)冰強(qiáng)度的計算結(jié)果。

表3 探測器結(jié)冰強(qiáng)度Table 3 Icing intensity of detector

通過對比發(fā)現(xiàn),只在條件4 下,探頭表面出現(xiàn)的是弱結(jié)冰強(qiáng)度,其余兩個狀態(tài)為強(qiáng)結(jié)冰;而發(fā)動機(jī)唇口和機(jī)翼的結(jié)冰強(qiáng)度均為弱結(jié)冰。探測器的結(jié)冰強(qiáng)度不低于發(fā)動機(jī)唇口和機(jī)翼的結(jié)冰強(qiáng)度,探測器的結(jié)冰強(qiáng)度預(yù)警滿足要求。

4.2.2 結(jié)冰程度

結(jié)冰程度是指飛行時間內(nèi)飛機(jī)表面所結(jié)冰層的最大厚度?;陲w行試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)冰程度的分級情況如表4 所示[18]。

表4 結(jié)冰程度等級Table 4 Icing degree level

表5 所示為探測器探頭表面、發(fā)動機(jī)唇口和機(jī)翼最大結(jié)冰厚度hmax的計算結(jié)果。通過對比可看出,在所有結(jié)冰狀態(tài)中,探測器探頭表面的結(jié)冰厚度高于發(fā)動機(jī)唇口及機(jī)翼的結(jié)冰厚度。上述對比表明探測器的結(jié)冰程度不低于機(jī)體上主要部件迎風(fēng)面上的結(jié)冰程度,充分說明探測器安裝位置是合理有效的。

表5 部件表面最大結(jié)冰厚度對比Table 5 Comparison of maximum icing thickness oncomponent surface

5 結(jié)論

本文針對某型飛機(jī)結(jié)冰探測器,闡述了結(jié)冰探測器安裝位置要求,采用三維仿真模擬了多種結(jié)冰條件下機(jī)頭表面流場和水滴撞擊特性,通過定義水滴濃度遮蔽區(qū)和水滴濃度增加區(qū)分析機(jī)頭的水滴撞擊特性,引入危險位置點(diǎn)確定結(jié)冰探測器合理的安裝范圍,并通過結(jié)冰探測器表面與飛機(jī)主要迎風(fēng)部件表面的結(jié)冰特性仿真對比分析,驗(yàn)證安裝位置的合理有效。

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