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飛機結(jié)冰與防冰技術(shù)
飛機在結(jié)冰氣象條件下飛行時,會在其表面產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。飛機結(jié)冰會嚴重威脅飛機的飛行安全。飛機結(jié)冰與防冰技術(shù)涉及流體力學、熱力學、多相流等多學科,本書立足飛機防(除)冰技術(shù)的新進展,
系統(tǒng)介紹飛機結(jié)冰現(xiàn)象、防(除)冰方法及相關(guān)的基礎(chǔ)理論和數(shù)值模擬方法。內(nèi)容包括:飛機結(jié)冰現(xiàn)象及機理、飛機防(除)冰方法、水滴撞擊特性、飛機結(jié)冰過程分析、熱氣防冰系統(tǒng)設(shè)計及熱力分析、直升機結(jié)冰與防冰、飛機結(jié)冰探測、飛機結(jié)冰與防(除)冰試驗,以及飛機透明表面防冰、防霧等。
本書既可作為高等院校相關(guān)專業(yè)高年級本科生、研究生的教材,也可供從事相關(guān)領(lǐng)域研究的工程技術(shù)人員參考。
第1章 飛機結(jié)冰現(xiàn)象及機理…………………………………………………………………… 1
1.1 飛機結(jié)冰現(xiàn)象…………………………………………………………………………… 1
1.1.1 基本概念…………………………………………………………………………… 1
1.1.2 結(jié)冰種類…………………………………………………………………………… 2
1.1.3 結(jié)冰部位…………………………………………………………………………… 4
1.1.4 結(jié)冰強度…………………………………………………………………………… 5
1.2 飛機結(jié)冰氣象條件……………………………………………………………………… 6
1.2.1 云的種類狀態(tài)……………………………………………………………………… 6
1.2.2 云中的過冷水滴…………………………………………………………………… 8
1.2.3 水滴粒徑分布……………………………………………………………………… 9
1.3 影響飛機結(jié)冰的物理因素……………………………………………………………… 10
1.3.1 水滴直徑…………………………………………………………………………… 10
1.3.2 液態(tài)水含量………………………………………………………………………… 11
1.3.3 空氣溫度…………………………………………………………………………… 11
1.3.4 飛行高度…………………………………………………………………………… 12
1.3.5 云層的水平距離…………………………………………………………………… 12
1.3.6 地形因素…………………………………………………………………………… 12
1.3.7 季節(jié)因素…………………………………………………………………………… 12
1.3.8 與飛機有關(guān)的因素………………………………………………………………… 12
1.4 飛機結(jié)冰設(shè)計規(guī)范……………………………………………………………………… 14
1.4.1 結(jié)冰氣象參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)…………………………………………………………… 14
1.4.2 傳統(tǒng)結(jié)冰氣象設(shè)計標準…………………………………………………………… 14
1.4.3 新增結(jié)冰氣象設(shè)計標準…………………………………………………………… 20
1.5 結(jié)冰對飛機性能的影響………………………………………………………………… 25
1.5.1 升力面結(jié)冰………………………………………………………………………… 25
1.5.2 發(fā)動機結(jié)冰………………………………………………………………………… 27
1.5.3 其他部位結(jié)冰……………………………………………………………………… 28
參考文獻……………………………………………………………………………………… 28
第2章 飛機防(除)冰方法…………………………………………………………………… 30
2.1 熱防冰系統(tǒng)……………………………………………………………………………… 30
2.1.1 概 述……………………………………………………………………………… 30
2.1.2 熱氣防冰系統(tǒng)……………………………………………………………………… 32
2.1.3 電熱防(除)冰系統(tǒng)………………………………………………………………… 35
2.2 液體防冰系統(tǒng)…………………………………………………………………………… 37
2.2.1 液體防冰原理……………………………………………………………………… 37
2.2.2 防冰液的選擇……………………………………………………………………… 37
2.2.3 防冰液的分配方法………………………………………………………………… 38
2.3 機械除冰系統(tǒng)…………………………………………………………………………… 40
2.3.1 膨脹管除冰………………………………………………………………………… 40
2.3.2 電脈沖除冰系統(tǒng)…………………………………………………………………… 41
2.4 防(除)冰新方法………………………………………………………………………… 44
2.4.1 記憶合金除冰……………………………………………………………………… 44
2.4.2 疏水材料防冰……………………………………………………………………… 45
2.5 典型飛機的防(除)冰系統(tǒng)……………………………………………………………… 45
2.5.1 波音787飛機的防冰系統(tǒng)………………………………………………………… 45
2.5.2 ARJ21飛機的防冰系統(tǒng)………………………………………………………… 46
參考文獻……………………………………………………………………………………… 47
第3章 水滴撞擊特性………………………………………………………………………… 48
3.1 基本概念………………………………………………………………………………… 48
3.1.1 水滴撞擊極限……………………………………………………………………… 49
3.1.2 總收集系數(shù)………………………………………………………………………… 49
3.1.3 局部水收集系數(shù)…………………………………………………………………… 50
3.1.4 水滴遮蔽區(qū)………………………………………………………………………… 51
3.1.5 水滴撞擊特性計算方法…………………………………………………………… 51
3.2 空氣流場計算…………………………………………………………………………… 52
3.2.1 質(zhì)量守恒方程……………………………………………………………………… 53
3.2.2 動量守恒方程……………………………………………………………………… 53
3.2.3 能量守恒方程……………………………………………………………………… 55
3.3 拉格朗日法計算水滴撞擊特性………………………………………………………… 56
3.3.1 水滴運動軌跡方程………………………………………………………………… 56
3.3.2 運動方程的數(shù)值求解……………………………………………………………… 58
3.3.3 拉格朗日法計算局部水收集系數(shù)………………………………………………… 62
3.4 歐拉法計算水滴撞擊特性……………………………………………………………… 63
3.4.1 概念引入…………………………………………………………………………… 63
3.4.2 歐拉法計算模型…………………………………………………………………… 63
3.4.3 數(shù)值求解及實現(xiàn)方法……………………………………………………………… 65
3.4.4 歐拉法計算局部水收集系數(shù)……………………………………………………… 67
3.5 水滴撞擊特性影響參數(shù)………………………………………………………………… 67
3.5.1 飛行速度的影響…………………………………………………………………… 68
3.5.2 水滴直徑結(jié)果分析………………………………………………………………… 68
3.5.3 幾何形狀的影響…………………………………………………………………… 69
3.6 過冷大水滴撞擊特性…………………………………………………………………… 70
3.6.1 過冷大水滴動力學現(xiàn)象…………………………………………………………… 70
3.6.2 過冷大水滴運動模型……………………………………………………………… 71
參考文獻……………………………………………………………………………………… 74
第4章 飛機結(jié)冰過程分析…………………………………………………………………… 76
4.1 基本概念………………………………………………………………………………… 76
4.1.1 結(jié)冰過程數(shù)值分析步驟…………………………………………………………… 76
4.1.2 結(jié)冰熱力學分析…………………………………………………………………… 77
4.2 空氣流場與水滴撞擊特性計算………………………………………………………… 77
4.3 結(jié)冰熱力學分析………………………………………………………………………… 77
4.3.1 控制容積的質(zhì)量守恒……………………………………………………………… 78
4.3.2 控制容積的能量守恒……………………………………………………………… 80
4.3.3 結(jié)冰系數(shù)f 的求解……………………………………………………………… 83
4.3.4 冰形計算…………………………………………………………………………… 84
4.4 結(jié)冰過程對流換熱系數(shù)的計算………………………………………………………… 86
4.4.1 表面粗糙度的計算………………………………………………………………… 86
4.4.2 粗糙壁面附面層積分法…………………………………………………………… 87
4.4.3 CFD方法………………………………………………………………………… 89
4.5 飛機結(jié)冰過程影響因素分析………………………………………………………… 100
4.5.1 環(huán)境溫度對結(jié)冰的影響………………………………………………………… 100
4.5.2 平均容積直徑(MVD)對結(jié)冰的影響…………………………………………… 103
4.5.3 結(jié)冰時間的影響………………………………………………………………… 103
4.5.4 液態(tài)水含量(LWC)對結(jié)冰的影響……………………………………………… 103
4.6 現(xiàn)行結(jié)冰計算軟件介紹……………………………………………………………… 105
4.6.1 LEWICE ………………………………………………………………………… 105
4.6.2 FENSAPGICE …………………………………………………………………… 106
參考文獻……………………………………………………………………………………… 107
第5章 熱氣防冰系統(tǒng)設(shè)計及熱力分析……………………………………………………… 109
5.1 防冰系統(tǒng)設(shè)計嚴酷狀態(tài)點及防護區(qū)域的確定……………………………………… 109
5.1.1 嚴酷狀態(tài)點的確定……………………………………………………………… 109
5.1.2 防護區(qū)域的確定………………………………………………………………… 110
5.2 防冰熱載荷…………………………………………………………………………… 110
5.2.1 防冰熱載荷計算………………………………………………………………… 111
5.2.2 溢流水…………………………………………………………………………… 113
5.3 防冰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算……………………………………………………………… 115
5.3.1 附面層的概念…………………………………………………………………… 115
5.3.2 對流換熱系數(shù)求解方法………………………………………………………… 116
5.4 供氣管路的計算……………………………………………………………………… 118
5.4.1 供氣管路的溫降計算…………………………………………………………… 119
5.4.2 供氣管路的壓降計算…………………………………………………………… 120
5.4.3 笛形管熱氣噴口流量及噴口壓力損失計算…………………………………… 123
5.5 防冰腔結(jié)構(gòu)設(shè)計及熱效率計算……………………………………………………… 126
5.5.1 防冰腔結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………… 126
5.5.2 防冰腔內(nèi)熱氣流動與換熱模擬………………………………………………… 126
5.6 熱氣防冰腔內(nèi)外耦合傳熱計算……………………………………………………… 127
5.7 典型參數(shù)對表面溫度的影響………………………………………………………… 130
5.7.1 表面溫度和溢流水結(jié)果總體分析……………………………………………… 130
5.7.2 水滴直徑的影響………………………………………………………………… 131
5.7.3 液態(tài)水含量的影響……………………………………………………………… 132
5.7.4 環(huán)境溫度的影響………………………………………………………………… 134
5.7.5 攻角的影響……………………………………………………………………… 135
參考文獻……………………………………………………………………………………… 137
第6章 直升機結(jié)冰與防冰…………………………………………………………………… 139
6.1 直升機結(jié)冰…………………………………………………………………………… 139
6.1.1 直升機結(jié)冰的危害……………………………………………………………… 139
6.1.2 直升機結(jié)冰的特點……………………………………………………………… 140
6.2 直升機防(除)冰系統(tǒng)………………………………………………………………… 142
6.2.1 液體防冰系統(tǒng)…………………………………………………………………… 142
6.2.2 電熱除冰系統(tǒng)…………………………………………………………………… 142
6.3 直升機電熱除冰系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………… 144
6.3.1 設(shè)計狀態(tài)的確定………………………………………………………………… 144
6.3.2 除冰防護區(qū)的確定……………………………………………………………… 145
6.3.3 加熱片的分區(qū)方式……………………………………………………………… 146
6.3.4 加熱功率及除冰控制規(guī)律設(shè)計………………………………………………… 148
6.3.5 黑鷹直升機除冰系統(tǒng)…………………………………………………………… 149
參考文獻……………………………………………………………………………………… 151
第7章 飛機結(jié)冰探測………………………………………………………………………… 152
7.1 飛機結(jié)冰探測系統(tǒng)的基本概念……………………………………………………… 152
7.1.1 冰和結(jié)冰條件探測……………………………………………………………… 152
7.1.2 結(jié)冰系數(shù)的考慮………………………………………………………………… 154
7.1.3 水滴飛濺、溢流和脫落的考慮…………………………………………………… 154
7.1.4 安裝位置的考慮………………………………………………………………… 154
7.1.5 其他考慮因素…………………………………………………………………… 155
7.1.6 結(jié)冰探測器指示方法…………………………………………………………… 156
7.2 常用結(jié)冰探測器……………………………………………………………………… 156
7.2.1 常用結(jié)冰方法簡介……………………………………………………………… 156
7.2.2 諧振結(jié)冰探測器………………………………………………………………… 157
7.2.3 光學法結(jié)冰探測器……………………………………………………………… 160
參考文獻……………………………………………………………………………………… 163
第8章 飛機結(jié)冰與防(除)冰試驗…………………………………………………………… 164
8.1 概 述………………………………………………………………………………… 164
8.2 結(jié)冰與防冰試驗方法………………………………………………………………… 165
8.2.1 冰風洞試驗……………………………………………………………………… 165
8.2.2 干空氣飛行試驗………………………………………………………………… 165
8.2.3 模擬結(jié)冰飛行試驗……………………………………………………………… 166
8.2.4 自然結(jié)冰飛行試驗……………………………………………………………… 167
8.2.5 其他地面模擬試驗……………………………………………………………… 169
8.3 冰風洞試驗技術(shù)……………………………………………………………………… 170
8.3.1 常規(guī)風洞………………………………………………………………………… 170
8.3.2 冰風洞…………………………………………………………………………… 172
8.3.3 參數(shù)測量………………………………………………………………………… 175
8.4 相似準則……………………………………………………………………………… 182
8.4.1 流場相似………………………………………………………………………… 183
8.4.2 水滴運動軌跡相似……………………………………………………………… 183
8.4.3 表面水收集量相似……………………………………………………………… 186
8.4.4 結(jié)冰表面熱力學相似…………………………………………………………… 187
8.4.5 相似方法………………………………………………………………………… 188
參考文獻……………………………………………………………………………………… 191
第9章 飛機透明表面防冰、防霧…………………………………………………………… 193
9.1 風擋防冰……………………………………………………………………………… 193
9.1.1 電熱防冰………………………………………………………………………… 193
9.1.2 熱氣防冰………………………………………………………………………… 196
9.1.3 液體防冰………………………………………………………………………… 198
9.1.4 小 結(jié)…………………………………………………………………………… 198
9.2 風擋防冰熱載荷及其影響因素……………………………………………………… 199
9.2.1 水收集系數(shù)與防冰載荷計算…………………………………………………… 199
9.2.2 風擋防冰熱載荷的影響因素…………………………………………………… 200
9.3 透明表面防霧………………………………………………………………………… 201
9.3.1 物化法防霧……………………………………………………………………… 202
9.3.2 加熱法防霧……………………………………………………………………… 202
9.4 波音787型飛機的風擋防冰、防霧系統(tǒng)……………………………………………… 203
參考文獻……………………………………………………………………………………… 205
附錄A 流體外掠平板對流換熱附面層積分方程求解……………………………………… 206
附錄B 劉易斯冰風洞………………………………………………………………………… 209
附錄C 飽和水蒸氣、干空氣物性及常用材料物性參數(shù)表……………………………………… 211
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