一种求解防冰部件表面温度的方法与流程

1.本技术属于飞机防冰技术领域，特别涉及一种求解防冰部件表面温度的方法。


背景技术：

2.当飞机在温度低于零度和小马赫数条件下使用时，由于外界空气存在完全液态水滴，会使发动机进口装置(包括进口整流罩、压气机进口导向器以及安装在进口的附件)表面结冰。结冰会造成压气机进口的流场畸变，降低压气机效率，降低喘振裕度；转子部件表面结冰则会引起振动增大，冰块碎落会被吸入发动机引起压气机机械损伤。
3.航空发动机防冰系统旨在加热进口部件，为发动机进口部件提供防冰保护，保证发动机在结冰条件下能够安全可靠地工作。航空发动机防冰系统设计时，需要数值评估防冰系统在结冰条件下工作时的防冰效果，需要开展防冰部件表面温度场计算分析。本专利提出的一种基于求解防冰部件表面温度的方法就是用于解决防冰部件表面温度场计算分析问题。
4.在求解防冰部件表面温度场时，由于过冷水滴撞击在其表面，部件表面温度受外部空气换热和收集到的过冷水滴的换热影响，而后者在防冰部件表面会出现相变。部件表面收集到的过冷水滴有三种可能存在的状态：结冰态、完全液态水、完全液态。这个防冰部件的温度场计算带来了极大的困难，因为即使在同一壁温条件下，如果过冷水滴处在相变的状态，壁面与外部环境的热交换量是不一样的。
5.因此，如何更有效的求解防冰部件表面温度是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供了一种求解防冰部件表面温度的方法，以解决现有技术中过冷水滴存在多种状态而导致防冰部件表面温度求解困难的问题。
7.本技术的技术方案是：一种求解防冰部件表面温度的方法，包括对防冰部件表面和干空气流场进行网格划分，对其中任意微元进行分析；依据防冰热气所能提供的最大加热载荷，通过能量平衡公式，预估防冰部件表面收集到的过冷水所处的状态及表面壁温所处的温度范围，防冰部件表面收集到的过冷水划分为完全冻结态、冰水混合态和完全液态；通过防冰供热载荷判定防冰部件表面是否处于完全液态；若确定防冰部件表面收集到的过冷水未达到完全液态，则采用防冰供热载荷通过确认是否使得预估表面温度达到冰点温度来判断；若判定表面不能到达冰点温度，则确定防冰部件表面收集到的过冷水达到完全冻结态，确定冻结系数f＝1，而后计算出供热热流项q
anti
和防冰部件表面壁温tw；若判定壁温能够到达冰点温度，再次采用防冰热载荷，确定防冰供气热量是否使得收集到的过冷水滴到达1.7℃，若判定未能将过冷水滴加热到1.7℃，则确定防冰部件表面壁温介于0℃～1.7℃之间，收集到的水处于冰水混合态，从而计算确定冻结系数f，计算供热热流项q
anti
和防冰部件表面壁温tw；若判定能够将收集到的过冷水滴加热到1.7℃以上，则收集到的水处于完全液态，冻结系数f＝0，而后计算供热热流项q
anti
和防冰部件表面壁温tw。
8.优选地，所述能量平衡公式为，
9.q
anti
＝q
air
q
evap
q
water-q
ice-q
in
q
out-q
dropin
10.式中，q
anti
——防冰系统热气供热热流，w/m2；
11.q
air
——外换热热流，w/m2；
12.q
evap
——水蒸发热热流，w/m2；
13.q
water
——加热撞击水到壁温所需热流，w/m2；
14.q
ice
——冻结在微元表面的结冰相变释放的热流，w/m2；
15.q
in
——从上流微元流入的水膜热流，w/m2；
16.q
dropin
——撞击到该微元水滴的动能转化热流，w/m2；
17.q
out
——从该单元流出的水膜热流，w/m2。
18.优选地，所述供热热流项q
anti
19.q
anti
＝h
in
(t
in-tw)
20.式中，tw——为防冰部件外表面的壁温，k；
21.t
in
——为防冰热气与内表面换热总温，k；
22.h
in
——为防冰热气与内表面换热系数，w/(k*m2)；
23.撞击在表面的水滴动能转化热流项q
dropin
[0024][0025]
式中，m
impact
——为防冰部件表面局部收集的水滴质量，kg；
[0026]ai
——为防冰部件表面积，m2；
[0027]v0
——为水滴的来流速度，m/s
[0028]
将撞击在表面的水加热到表面温度所需热流q
water
；
[0029]qwater
＝m
impact
cp
water
(t
w-t0)
[0030]
式中，cp
water
——为水的比热容，j/(kg*k)；
[0031]
t0——为来流中过冷水滴温度，k；
[0032]
防冰部件外表面与主流对流换热的热流项q
air
[0033]qair
＝h
air
(t
w-t
air
)
[0034]
式中，t
air
——为来流空气换热总温，k；
[0035]hair
——为来流空气与外表面的换热系数，w/(k*m2)；
[0036]
防冰部件表面蒸发水带走的热流项q
evap
[0037][0038]
式中，esw——为防冰部件表面饱和水蒸气压，pa；
[0039]
es0——为防冰部件表面273.15k条件下的饱和水蒸气压，pa；
[0040]
p
l
——为防冰部件表面附面层边界的静压，pa；
[0041]
p0——为防冰部件表面标准大气压，101325pa；
[0042]
冻结在防冰部件表面的水释放的热流项q
ice
[0043]qice
＝fi(m
impact
m
in
)i
ice
/ai[0044]
式中，fi——为微元表面收集到的水冻结系数f；
[0045]ai
——为微元表面积，m2；
[0046]min
——为上一微元流入该微元的水膜质量，kg；
[0047]iice
——为水冻结释放的潜热，j/(kg)；
[0048]
流入防冰部件表面某微元的水膜带走的热流项q
in
[0049]qin
＝cp
watermin
(t
water,in-273.15)/ai[0050]
式中，t
water,in
——为流入该微元的水膜温度，k。
[0051]
优选地，通过防冰供热载荷预估防冰部件表面收集到的过冷水状态，所述防冰部件表面收集到的过冷水处于完全冻结态时，流入该微元的水和撞击在该微元的水都冻结，即冻结系数f＝1，蒸发质量m
evap
＝0，蒸发热流q
evap
＝0，溢流质量m
out
＝0，溢流热流q
out
＝0；所述防冰部件表面收集到的过冷水处于冰水混合态时，流入该微元和撞击在该微元的水一部分冻结，一部分溢流，蒸发质量和热流较小，可以忽略，因此，蒸发质量m
evap
＝0，蒸发热流q
evap
＝0，冻结系数0＜f＜1；所述防冰部件表面收集到的过冷水处于完全液态时，此时，表面为完全湿表面，没有结冰，则有冻结系数f＝0，冻结质量m
ice
＝0，冻结释放热流q
ice
＝0。
[0052]
优选地，判定所述防冰供气热量使得使得预估壁温到达冰点温度的公式为
[0053]
δq＝q
anti-q
air-q
water
q
ice
q
in
q
dropin
[0054]
如果δq≤0，则表示防冰供气热量不能使得预估壁温达到冰点温度，即预估壁温低于273.15k。
[0055]
优选地，判定所述供气热量是否使得收集到的过冷水滴到达冰点的公式为，
[0056]
δq1＝q
anti-q
air-q
water
q
dropin
[0057]
如果δq1≤0，则表示防冰供气热量不能使得预估壁温达到0℃，则有流入该微元和撞击在该微元的水一部分冻结，一部分溢流。
[0058]
作为一种具体实施方式，一种求解防冰部件表面温度的系统，包括，网格划分模块，用于对防冰部件表面和干空气流场进行网格的划分；防冰部件表面收集到的过冷水状态确定模块，用于通过防冰供热载荷判定防冰部件表面收集到的过冷水是否处于完全液态，若处于完全液态，则对壁温进行计算；通过防冰供热载荷判断防冰部件表面收集到的过冷水是否处于完全冻结态，若处于完全冻结态，则对壁温进行计算；通过防冰供热载荷判断防冰部件表面收集到的过冷水是否处于冰水混合态，若处于冰水混合态，则对壁温进行计算。
[0059]
本技术的一种求解防冰部件表面温度的方法，通过网格划分处微元，而后通过预估的方式，将防冰部件表面收集到的过冷水分为三个状态，而后通过将三个状态采用不同的方式依次代入能量平衡公式的方式来进行判定，先判定防冰部件表面收集到的过冷水是否处于完全冻结态，若是，则确定冻结系数，而后再通过能量平衡公式将不同状态代入的方式计算供热热流项能否将壁温加热到1.7℃，若不能，分情况确定冻结系数；若能，则判定过冷水滴能够被加热到完全液态，最后完成壁温计算，计算准确、高效。
附图说明
[0060]
为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
[0061]
图1为本技术整体流程结构示意图；
[0062]
图2为本技术防冰部件表面能量流动结构示意图。
具体实施方式
[0063]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0064]
一种求解防冰部件表面温度的方法，为了获取精准的防冰部件表面温度数据，需要综合考虑防冰部件表面的所有能量转换情况。
[0065]
在防冰部件表面的任一微元上，表面附有表面膜，外部为干空气流场，表面膜包括冰膜或水膜，冰膜或水膜可能会产生相变，防冰部件表面还可能受到干空气流场的过冷水滴的撞击、从上流微元流入的水膜、从该单元流出的水膜、与干空气流程空气的热交换的影响。
[0066]
因此防冰部件表面可能产生的热交换有：1、外换热热流；2、水蒸发热热流；3、加热撞击水到壁温所需热流；4、冻结在微元表面的结冰相变释放的热流；5、从上流微元流入的水膜热流；6、撞击到该微元水滴的动能转化热流；7、从该单元流出的水膜热流。
[0067]
防冰系统提供的热量与防冰部件表面输出的上述1-7中热交换的热能产生能量平衡。但是由于水在相变过程中的热能难以计算，因此本技术先对防冰部件的表面温度进行假设，以水在结冰或蒸发相变的临界点为节点，将防冰部件的表面状态分为三个状态，也即是完全冻结态、冰水混合态和完全液态。
[0068]
完全冻结态即是该微元的防冰部件的表面收集到的过冷水完全冻结，忽略蒸发热流和溢流热流；冰水混合态即是该微元的防冰部件的表面一部分冻结，一部分溢流，忽略蒸发热流；完全液态即是该微元的防冰部件的表面为湿表面，无冻结释放热流。
[0069]
如图1所示，那么对于该假设，如何确定防冰部件表面收集到的过冷水状态的方法，本发明通过能量平衡公式的转换来获得，具体包括以下步骤：
[0070]
步骤s100，对防冰部件表面和干空气流场进行网格划分，对其中任意微元进行分析；
[0071]
步骤s200，依据防冰热气所能提供的最大加热载荷，通过能量平衡公式，预估防冰部件表面收集到的过冷水所处的状态及壁温所处的温度范围，防冰部件表面划分为完全冻结态、冰水混合态和完全液态；
[0072]
步骤s300，通过防冰供热载荷判定防冰部件表面收集到的过冷水是否处于完全液态；
[0073]
步骤s400，若确定防冰部件表面收集到的过冷水未达到完全液态，则采用防冰供热载荷确认是否使得预估表面壁温达到冰点温度(0℃)来判断；若判定表面壁温不能到达冰点温度，则确定防冰部件表面收集到的过冷水达到完全冻结态，确定冻结系数f＝1，而后计算出供热热流项q
anti
和防冰部件表面壁温tw；
[0074]
步骤s500，若判定壁温能够到达冰点温度，再次采用防冰供热载荷确定是否使得收集到的过冷水滴到达1.7℃，若判定未能将过冷水滴加热到1.7℃，则可以确定防冰部件表面壁温介于0℃～1.7℃之间，收集到的水处于冰水混合态，从而计算确定冻结系数f，计算供热热流项q
anti
和防冰部件表面壁温tw；
[0075]
步骤s600，若判定能够将收集到的过冷水滴加热到1.7℃以上，则收集到的水处于
完全液态，冻结系数f＝0，而后计算供热热流项q
anti
和防冰部件表面壁温tw[0076]
通过采用防冰热载荷先进行防冰部件表面收集到的过冷水是否处于完全液态的判断，也即是判定防冰部件表面是否含有冻结释放热流，如果有，则说明防冰部件表面不处于完全液态；如果无，则说明防冰部件表面处于完全液态。
[0077]
在确定防冰部件表面收集到的过冷水不处于完全液态后，也即是防冰部件表面收集到的过冷水处于完全冻结态或冰水混合态，两种情况下的蒸发热流均为0。而后判断是否存在从该单元流出的水膜热流，如果不存在，则说明防冰部件表面收集到的过冷水处于完全冻结态，壁温处于冰点以下，防冰供气热量不能使得预估壁温达到冰点温度，而后得出冻结系数，从而计算出防冰部件表面壁温；
[0078]
如果存在水膜热流，则判断防冰供气热是否能够将过冷水滴加热到冰点，如果防冰供气热不能使得预估壁温加热到1.7℃，则流入该微元和撞击在该微元的水一部分冻结、一部分溢流，防冰部件表面温度处于0℃～1.7℃之间。如果防冰供气热能够将过冷水滴加热到1.7℃以上，则防冰部件表面收集到的过冷水处于全液态，冻结系数为零，计算各热流项，从而计算出防冰部件表面壁温。
[0079]
通过将防冰部件表面温度假设在三个区间而后通过确定冻结系数再计算的方式，能够避免水的相变对壁温计算造成的不确定性干扰，从而准确地计算出防冰部件表面温度。
[0080]
其中，完全冻结态的温度区间为t
w1
＜0；冰水混合态的温度区间为0℃≤t
w1
＜1.7℃；完全液态的温度区间为t
w1
≥1.7℃。
[0081]
如图2所示，优选地，能量平衡公式为，
[0082]qanti
＝q
air
q
evap
q
water-q
ice-q
in
q
out-q
dropin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0083]
式中，q
anti
——防冰系统热气供热热流，w/m2；
[0084]qair
——外换热热流，w/m2；
[0085]qevap
——水蒸发热热流，w/m2；
[0086]qwater
——加热撞击水到壁温所需热流，w/m2；
[0087]qice
——冻结在微元表面的结冰相变释放的热流，w/m2；
[0088]qin
——从上流微元流入的水膜热流，w/m2；
[0089]qdropin
——撞击到该微元水滴的动能转化热流，w/m2；
[0090]qout
——从该单元流出的水膜热流，w/m2。
[0091]
供热热流项q
anti
[0092]qanti
＝h
in
(t
in-tw)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0093]
式中，tw——为防冰部件外表面的壁温，k；
[0094]
t
in
——为防冰热气与内表面换热总温，k；
[0095]hin
——为防冰热气与内表面换热系数，w/(k*m2)；
[0096]
撞击在表面的水滴动能转化热流项q
dropin
[0097][0098]
式中，m
impact
——为防冰部件表面局部收集的水滴质量，kg；
[0099]ai
——为防冰部件表面积，m2；
[0100]v0
——为水滴的来流速度，m/s
[0101]
将撞击在表面的水加热到表面温度所需热流q
water
；
[0102]qwater
＝m
impact
cp
water
(t
w-t0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0103]
式中，cp
water
——为水的比热容，j/(kg*k)；
[0104]
t0——为来流中过冷水滴温度，k；
[0105]
防冰部件外表面与主流对流换热的热流项q
air
[0106]qair
＝h
air
(t
w-t
air
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0107]
式中，t
air
——为来流空气换热总温，k；
[0108]hair
——为来流空气与外表面的换热系数，w/(k*m2)；
[0109]
防冰部件表面蒸发水带走的热流项q
evap
[0110][0111]
式中，esw——为防冰部件表面饱和水蒸气压，pa；
[0112]
es0——为防冰部件表面273.15k条件下的饱和水蒸气压，pa；
[0113]
p
l
——为防冰部件表面附面层边界的静压，pa；
[0114]
p0——为防冰部件表面标准大气压，101325pa；
[0115]
冻结在防冰部件表面的水释放的热流项q
ice
[0116]qice
＝fi(m
impact
m
in
)i
ice
/aiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0117]
式中，fi——为微元表面收集到的水冻结系数f；
[0118]ai
——为微元表面积，m2；
[0119]min
——为上一微元流入该微元的水膜质量，kg；
[0120]iice
——为水冻结释放的潜热，j/(kg)；
[0121]
流入防冰部件表面某微元的水膜带走的热流项q
in
[0122]qin
＝cp
watermin
(t
water,in-273.15)/aiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0123]
式中，t
water,in
——为流入该微元的水膜温度，k。
[0124]
其中，冻结在微元表面的结冰相变释放的热流需要确定冻结系数f，防冰部件表面收集到的过冷水的状态确定之后，冻结系数f即可确定。这样，在确定完成防冰部件表面收集到的过冷水状态之后，供热热流项以外的其它热流项即可全部计算出来，通过能量平衡公式计算供热热流项的具体数值，而后再通过供热热流项的计算公式即可得出防冰部件外表面的壁温。
[0125]
而在上式(1)-(8)中，冻结系数f和防冰部件表面温度共两项不确定，其中冻结系数f，也就是冻结的量，等于冻结量与收集水量的比值。防冰部件表面收集到的过冷水有可能全部冻结，也有可能部分冻结、部分溢流，或者全部溢流。在零度附近时，温度不变，有相变的时候，热量传递是不一样的，冻结多少决定热量传递量，所以壁温在这个区间附近，没办法直接求出能量传递量，需要借助一些假设条件，最终的热传递量需要壁温和冻结系数f共同决定。只要确定了冻结系数f，而壁温也随之确定。
[0126]
为了对防冰部件表面温度进行求解，需要根据防冰部件表面温度与冻结系数f的相互对应关系，对防冰部件表面温度进行假设，也即是：
[0127]
防冰部件表面处于完全冻结态时，也即是t
w1
＜0，流入该微元的水和撞击在该微元
的水都冻结，即冻结系数f＝1，蒸发质量m
evap
＝0，蒸发热流q
evap
＝0，溢流质量m
out
＝0，溢流热流q
out
＝0；
[0128]
防冰部件表面处于冰水混合态时，也即是0℃≤t
w1
＜1.7℃，流入该微元和撞击在该微元的水一部分冻结，一部分溢流，蒸发质量和热流较小，可以忽略，因此，蒸发质量m
evap
＝0，蒸发热流q
evap
＝0，冻结系数0＜f＜1；
[0129]
防冰部件表面处于完全液态时，也即是t
w1
≥1.7℃，此时防冰部件表面为完全湿表面，没有结冰，则有冻结系数f＝0，冻结质量m
ice
＝0，冻结释放热流q
ice
＝0。
[0130]
通过防冰部件表面收集到的过冷水状态与冻结系数f进行对应，再通过能量公式对防冰部件表面温度进行求解。
[0131]
在确定防冰部件表面收集到的过冷水是否处于完全液态时，需要通过能量平衡公式进行计算确定。先根据上述假设内容，假设防冰部件表面收集到的过冷水处于完全液态，而后将对应的冻结系数f和防冰部件表面温度代入到能量平衡公式中进行计算，如果公式的两边差值在一定范围内，则说明防冰部件表面处于完全液态；反之，则属于完全冻结态或冰水混合态。
[0132]
优选地，判定防冰供气热量使得使得预估壁温到达冰点温度的公式为
[0133]
δq＝q
anti-q
air-q
water
q
ice
q
in
q
dropin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0134]
(9)的公式在已经判定防冰部件表面收集到的过冷水不属于完全液态的状态下进行，对于该计算，在冰水混合态的温度区间范围内先赋予一个假定的壁温值和冻结系统，按照假定的状态，防冰供气热量能够使预估壁温达到冰点温度。在实际计算中，如果δq≤0，则表示防冰供气热量不能使得预估壁温达到冰点温度，预估错误，即预估壁温低于273.15k，冻结系数f确定，壁温也随之确定。此时，冻结系数f＝1，蒸发质量m
evap
＝0，蒸发热流q
evap
＝0，溢流质量m
out
＝0，溢流热流q
out
＝0，从而计算出热流加载项和壁温。
[0135]
优选地，如果δq＞0，此时不确定壁温是否处于1.7℃以上，此时采用防冰供热载荷判断能否将过冷水滴加热到1.7℃的方式来确定冻结系数f，如果过冷水滴未加热到1.7℃，则表示有溢流水的存在，判定所述供气热量是否使得收集到的过冷水滴到达1.7℃的公式为，
[0136]
δq1＝q
anti-q
air-q
water
q
dropin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0137]
如果δq1≤0，则表示防冰供气热量不能使得预估壁温达到1.7℃，则有流入该微元和撞击在该微元的水一部分冻结，一部分溢流，蒸发质量和热流较小，可以忽略，因此，蒸发质量m
evap
＝0，蒸发热流q
evap
＝0，冻结系数f0＜f＜1，进而计算出热流加载项。同时，考虑到壁厚的变化，此时供热热流项计算时，依据表面温度进行选择：分为t
w1
＜0℃区间和t
w1
≥0℃区间。
[0138]
如果δq1＞0，则表示防冰供气热量使得预估壁温达到1.7℃以上，冻结系数f＝0，而壁温也随之确定。
[0139]
作为一种具体实施方式，一种求解防冰部件表面温度的系统，其采用上述的方法，包括网格划分模块、防冰部件表面收集到的过冷水状态确定模块。
[0140]
网格划分模块用于对防冰部件表面和干空气流场进行网格的划分；防冰部件表面收集到的过冷水状态确定模块用于通过防冰供热载荷判定收集到的过冷水是处于什么状态，再根据相应的计算公式进行计算各热流项，从而计算出防冰部件表面各微元的壁温。
[0141]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。