一种电热防除冰系统的设计方法技术方案

本发明专利技术适用于防除冰技术领域，提供了一种电热防除冰系统的设计方法，本申请的设计方法通过构建瞬态防冰传热的物理模型，并分别通过多组数值模拟拟合出加热层最高温度和吸热层最低温度随加热时间节律和结构空间布局变化的经验公式，并根据材料的失效温度设定加热层最高温度和吸热层最低温度的阈值，将得到的经验公式在该阈值范围内确定时间节律和空间节律的设计范围。本申请的设计方法计算效率高，得到的经验公式也使得在设计过程中，能够定量掌握由于设计调整对防除冰效果带来的潜在影响。响。响。

【技术实现步骤摘要】
一种电热防除冰系统的设计方法


[0001]本专利技术涉及防除冰
，尤其是涉及一种电热防除冰系统的设计方法。

技术介绍

[0002]飞机在云层中遭遇过冷水滴容易发生结冰，而结冰可能给飞机带来诸如气动性能损失、操稳特性降低等危害，严重的还可能导致飞行事故。作为新一代防除冰方法的电热防除冰系统由于能量利用率高、线路铺设方便等优势，渐渐取代了传统的热气防除冰系统。
[0003]专利CN201610342349.2公开了一种直升机旋翼电热除冰的装置，专利CN202210193167.9公开了一种风力机叶片防除冰装置。通常情况下，现有技术中的电热防除冰装置均设置了加热层和传热层，但是传热层具体如何优化设计未见报道。

技术实现思路

[0004]一般来说，电热防除冰系统的设计需要在考虑电加热功率、电加热时间节律和导热层布局等的同时，满足结冰气象条件下机翼等结构表面温度高于0
o
C和加热层内部温度低于加热材料失效温度（一般为90
o
C）的要求。因此，电热防除冰系统的设计是一个较为复杂的工程。针对此问题，本申请提供一种电热防除冰系统的设计方法。
[0005]本专利技术提供一种电热防除冰系统的设计方法，防除冰系统包括结构内腔、内腔壁、后热传导层、加热层、前热传导层和吸热层，后热传导层、加热层、前热传导层和吸热层依次设置在内腔壁上；设计方法包括以下步骤：S10. 计算防冰热载荷；S20. 构建瞬态防冰传热的物理模型并设定边界条件；瞬态防冰传热的物理模型为：，式中，是热传导率，是材料密度，是温度，是体热源，是显热焓：，是参考温度，是材料比热；边界条件为：内腔壁的边界条件采用对流换热边界条件；加热层的厚度为，施加的体热源为，为加热功率；吸热层的厚度为，施加的体热源为；S30. 确定计算变量；S31. 确定加热周期，并根据加热周期设计多组加热时间
‑
加热功率值()
j
，j=（1，2，...，M），M为取值总数；S32. 给定前热传导层厚度和后热传导层厚度的取值范围，并在给定的取值范围内选取多组
‑
值(
‑
)
i
，其中，i=（1，2，...，N），N为
‑
取值总
数；S40. 将多组
‑
值和多组t
heat
‑
值带入S20的瞬态防冰传热的物理模型，采用有限体积法进行传热模拟计算，得到N*M组加热层温度和吸热层温度随时间的变化曲线T
加
‑
t，T
吸
‑
t；在N*M组T
加
‑
t，T
吸
‑
t曲线中，提取各曲线中的加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
，并拟合得到加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
随的变化曲线、加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
随
‑
的变化曲线；S50. 根据拟合得到的加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
随的变化曲线、加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
随
‑
的变化曲线，在且T
min
≥0℃的范围内，确定t
heat
‑
的取值范围，以及
‑
的取值范围。
[0006]采用本申请的设计方法，至少具有以下有益效果：1. 本申请的设计方法中构建了简化的瞬态防冰传热的物理模型，使得在进行传热模拟计算时计算速度提高，从而提高了整体设计的效率；2. 本申请的设计方法中，对水膜流动引起的能量变化进行了忽略，不会显著影响结构的热传导过程。同时，对水膜的忽略，也解除了传热计算中水膜方程带来的库朗数的限制，使得传热过程可以以更大的时间步进行计算，有效地提高了传热模拟的计算效率。
[0007]3. 本申请的设计方法分别通过多组数值模拟拟合出加热层最高温度和吸热层最低温度随加热时间节律和结构空间布局变化的经验公式，也使得在设计过程中，能够定量掌握由于设计调整对防除冰效果带来的潜在影响。
附图说明
[0008]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0009]图1是申请实施例的电热防除冰系统的结构示意图；图2是申请实施例的一种电热防除冰系统的设计方法的流程示意图；图3是本申请具体算例的吸热层温度随
‑
的变化曲线；图4为本申请具体算例拟合得到的吸热层最低温度T
min
与前传导层厚度的拟合曲线。
[0010]图中，01
‑
结构内腔，02
‑
内腔壁，03
‑
后热传导层，04
‑
加热层，05
‑
前热传导层，06
‑
吸热层。
具体实施方式
[0011]以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本专利技术的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本专利技术，其仅作为例子，而并非用
以限制本专利技术。
[0012]一种电热防除冰系统的设计方法，防除冰系统如图1所示，包括结构内腔01、内腔壁02、后热传导层03、加热层04、前热传导层05和吸热层06，后热传导层03、加热层04、前热传导层05和吸热层06依次设置在内腔壁02上；设计方法包括以下步骤：S10. 计算防冰热载荷；；为对流换热，蒸发吸热，为气动热，为来流水滴带来的能量，为水滴动能转化热；由于防除冰过程中，结构表面水膜厚度一般小于10微米，因此本本实施例中对水膜流动引起的能量变化进行了忽略，并且不会显著影响结构的热传导过程。同时，对水膜的忽略，也解除了传热计算中水膜方程带来的库朗数的限制，使得传热过程可以以更大的时间步进行计算，有效地提高了传热模拟的计算效率。间步进行计算，有效地提高了传热模拟的计算效率。间步进行计算，有效地提高了传热模拟的计算效率。间步进行计算，有效地提高了传热模拟的计算效率。间步进行计算，有效地提高了传热模拟的计算效率。
[0013]采用等效粗糙度模型修正后的SA湍流模型进行计算得到，是恢复因子这里可以取0.9，是空气来流速度，是空气比热容；为水滴撞击质量流率，由水滴流场计算而来，V是水滴相对壁面速度；是壁面温度，是来流温度；是蒸发量，Ld是蒸发潜热；是水的比热容；是水的比热容；是水滴收集率，由水滴流场获得；是液态水含量，由气象条件确定；是液态水含量，由气象条件确定；是液态水含量，由气象条件确定；是液态水含本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电热防除冰系统的设计方法，其特征在于，所述防除冰系统包括结构内腔、内腔壁、后热传导层、加热层、前热传导层和吸热层，所述后热传导层、加热层、前热传导层和吸热层依次设置在所述内腔壁上；所述设计方法包括以下步骤：S10. 计算防冰热载荷；S20. 构建瞬态防冰传热的物理模型并设定边界条件；所述瞬态防冰传热的物理模型为：，式中，是热传导率，是材料密度，是温度，是体热源，是显热焓：，是参考温度，是材料比热；所述边界条件为：所述内腔壁的边界条件采用对流换热边界条件；所述加热层的厚度为，施加的体热源为，为加热功率；所述吸热层的厚度为，施加的体热源为；S30. 确定计算变量；S31. 确定加热周期，并根据加热周期设计多组加热时间
‑
加热功率值()
j
，j=（1，2，...，M），M为取值总数；S32. 给定前热传导层厚度和后热传导层厚度的取值范围，并在给定的取值范围内选取多组
‑
值(
‑
)
i
，其中，i=（1，2，...，N），N为
‑
取值总数；S40. 将多组
‑
值和多组t
heat
‑
值带入S20的瞬态防冰传热的物理模型，采用有限体积法进行传热模拟计算，得到N*M组加热层温度和吸热层温度随时间的变化曲线T
加
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t，T
吸
‑
t；在N*M组T
加
‑
t，T
吸
‑
t曲线中，提取各曲线中的加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
，并拟合得到加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
随的变化曲线、加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
随
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的变化曲线；S50. 根据拟合得到的加热层最高温度T
max
和吸热层最低温度T
min
随的变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志宏，熊华杰，易贤，安怡竞，吴主龙，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：