一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法技术方案

本发明专利技术适用于防除冰领域，提供了一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法，包括如下步骤：S1：获取来流风速V和来流温度T；S2：通过光纤结冰传感器获取的结冰参数并反向解算液态水含量LWC和液滴中值直径MVD；S3：将S1和S2中实时云雾参数(V，T，MVD，LWC)导入至热载荷预测模型，获取结冰防护区域内热载荷分布；S4：根据获取对应的防除冰功率。本发明专利技术基于热载荷分布结果，调控飞行器电热防除冰系统功率分布。这样有限的机载能源能够充分做到有的放矢，最大限度地降低了无效防护区域的电热功率消耗，节约了机载能源，为飞行器结冰防护系统设计提供了新的思路。为飞行器结冰防护系统设计提供了新的思路。为飞行器结冰防护系统设计提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法


[0001]本专利技术涉及防除冰领域，尤其是涉及一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法。

技术介绍

[0002]飞行器在穿过含有过冷水滴的云层时，过冷水滴会附着在飞行器表面，产生结冰现象。飞行器结冰会导致飞行器的升力降低、阻力升高、操纵性能下降等一系列不利影响，是造成航空安全事故的重要因素。为保证飞行器飞行安全，飞行器需要实现复杂结冰环境下的防除冰能力。为了应对飞行器结冰问题，目前已发展出了不同类型的结冰防护系统。按照控制模式划分，飞行器结冰防护系统可以分为持续加热的防冰(Anti
‑
Icing)系统和周期性加热的除冰(De
‑
Icing)系统；按照能量供给与否划分，可以分为主动方式和被动方式，其中主动方式包括：热气、电热、微波、电激振等；被动方式包括：涂层材料、化学喷涂等。热气防除冰系统通过从发动机引气实现飞行器机翼、发动机短舱唇口等核心部件的结冰防护，防除冰性能高效，是目前主流的飞行器结冰防护模式。但飞行器热气结冰防护系统也存在显著的弊端，一方面，发动机引气会显著降低发动机性能，影响飞行器动力分配；另一方面，热气防除冰系统需要配套复杂的热气管路，显著增加飞行器自身的重量。因此，系统简洁、控制灵活的电热防除冰成为新型飞行器结冰防护系统设计中的重要选项，目前波音787飞行器已选择电热作为其结冰防护系统的唯一模式。
[0003]由于飞行器机载能源有限，如何进一步降低电热结冰防护系统功率是当前飞行器电热结冰防护系统功率研究的重要和难点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法，利用光纤结冰传感器的实时冰形探测能力，反解飞行器当前结冰云雾参数，在此基础上利用已构建的神经网络热载荷快速预测模型实现飞行器表面热载荷的快速评估，进而实现飞行器机载能源在飞行器核心结冰防护区域的合理分配。本专利技术的另一目的是提供一种存储介质。
[0005]本专利技术是这样实现的，本专利技术提供了一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法，包括如下步骤：
[0006]S1：获取来流风速V和来流温度T；
[0007]S2：通过光纤结冰传感器获取的结冰参数并反向解算液态水含量LWC和液滴中值直径MVD；
[0008]S3：将S1和S2中实时云雾参数(V，T，MVD，LWC)导入至热载荷预测模型，获取结冰防护区域内热载荷分布；
[0009]S4：根据获取对应的防除冰功率。
[0010]进一步地，
[0011]在步骤S3中，所述热载荷预测模型的建立包括如下步骤：
[0012]S30：在飞行器表面构建结冰防护区域；
[0013]S31：构建结冰环境样本参数(V，T，MVD，LWC)到所述结冰防护区域内热载荷分布的样本空间：
[0014]其中，i∈(飞行器结冰包线集合)，为所述结冰防护区域表面的热载荷分布函数；
[0015]S32：基于所述结冰环境参数与热载荷样本分布，构建并训练神经网络；
[0016]S33：获取结冰防护区域内热载荷预测模型。
[0017]进一步地，
[0018]在步骤S31中，
[0019]通过Messinger模型计算结冰包线范围内的热载荷分布q
″
required
[0020]q
″
required
＝q
″
nc
+q
″
evap
‑
q
″
ke
±
q
″
sens
[0021]其中，q
″
nc
为净对流换热损失、q
″
evap
为蒸发换热损失、q
″
ke
为液滴撞击固壁获得的动能、q
″
sens
为显热变化。
[0022]进一步地，
[0023]净对流换热损失q
″
nc
计算：q
″
nc
＝h(T
s
‑
T
rec
)
[0024][0025][0026]其中，h为对流换热系数、T
s
为机翼表面温度、T
rec
为气流恢复温度。
[0027]蒸发换热损失q
″
evap
计算：
[0028][0029][0030][0031][0032]其中L
v
为蒸发相变潜热、h
m
为传质系数、R为气体常数、T
s
和e
s
为壁面温度及其对应
的饱和蒸汽压、T
e
和e
e
为边界层外边界温度及其对应的饱和蒸汽压，其中Le为刘易斯数、D
aw
为液膜与气流之间的传质系数；
[0033]液滴撞击固壁获得的动能q
″
ke
计算：
[0034][0035]其中β为收集系数，V
∞
为来流速度；
[0036]显热变化q
″
sens
计算：
[0037][0038][0039]其中T
rb
为前一计算单元壁面的温度、T
s
为当前计算单元的温度、C
pw
为水的定压比热容、为当前单元的液滴撞击质量流率、为前一单元的液态水质量流入速率。
[0040]进一步地，
[0041]步骤S2中，采用如下步骤获取MVD和LWC，
[0042]S21.采用光纤结冰传感器探测结冰增长率R
ice
：
[0043][0044]S22.测定环境静温T
st
，并根据《运输类飞行器适航标准》FAR 25部附录 C的规定拟合得到液态水含量LWC和液滴中值直径MVD的函数关系：
[0045]LWC＝f(MVD,T
st
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0046]S23.联立公式(2)(3)计算得到云雾参数，所述云雾参数为液态水含量 LWC和液滴中值直径MVD；
[0047][0048]其中，t是时间，n0为冻结系数，n0(MVD，LWC)表示该冻结系数与MVD 和LWC相关，β0为收集系数，β0(MVD)表示该收集系数与MVD相关，ρ
ice
为带孔隙冰密度。
[0049]进一步地，
[0050]步骤S21中，采集所述光纤结冰传感器的光功率p，并通过下式计算结冰厚度L
ice
：
[0051][0052]其中，e为自然常数，A1、A2、A3、A4、A5均为测定的常数。
[0053]进一步地，
[0054]根据光学仿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取来流风速V和来流温度T；S2：通过光纤结冰传感器获取的结冰参数并反向解算液态水含量LWC和液滴中值直径MVD；S3：将S1和S2中实时云雾参数(V，T，MVD，LWC)导入至热载荷预测模型，获取结冰防护区域内热载荷分布；S4：根据结冰防护区域内热载荷获取对应的防除冰功率。2.根据权利要求1中任一项所述的一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述热载荷预测模型的建立包括如下步骤：S30：在飞行器表面构建结冰防护区域；S31：构建结冰环境样本参数(V，T，MVD，LWC)到所述结冰防护区域内热载荷分布的样本空间：其中，i∈(飞行器结冰包线集合)，为所述结冰防护区域表面的热载荷分布函数；S32：基于所述结冰环境样本参数与热载荷样本分布，构建并训练神经网络；S33：获取结冰防护区域内热载荷预测模型。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法，其特征在于，步骤S31中，通过Messinger模型计算结冰包线范围内的热载荷分布q
″
required
q
″
required
＝q
″
nc
+q
″
evap
‑
q
″
ke
±
q
″
sens
其中，q
″
nc
为净对流换热损失、q
″
evap
为蒸发换热损失、q
″
ke
为液滴撞击固壁获得的动能、q
″
sens
为显热变化。4.根据权利要求3所述的一种基于光纤结冰探测的电热防除冰系统功率控制方法，其特征在于：净对流换热损失q
″
nc
计算：q
″
nc
＝h(T
s
‑
T
rec
))其中，h为对流换热系数、T
s
为机翼表面温度、T
rec
为气流恢复温度。蒸发换热损失q
″
evap
计算：
其中L
v
为蒸发相变潜热、h
m
为传质系数、R为气体常数、T
s
和e
s
为壁面温度及其对应的饱和蒸汽压、T
e
和e
e
为边界层外边界温度及其对应的饱和蒸汽压，其中Le为刘易斯数、D
aw
为液膜与气流之间的传质系数、ρ
air
为空气密度、Cp
air
为空气的定压比热容；液滴撞击固壁获得的动能q
″
ke
计算：其中β为收集系数，V
∞
为来流速度；显热变化q
″
sens
计算：计算：其中T
rb
为前一计算单元壁面的温度、T
s
为当前计算单元的温度、C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，易贤，任靖豪，李维浩，刘蕊迪，王文，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：