基于压电阵列的结冰三维成像方法研究

针对传统的单点结冰传感器无法获取飞机翼面多维度结冰信息的问题,利用压电换能器阵列采集铝板振动频谱信息,通过提取振动频谱的衰减和信号差异特征,实现了结冰位置、区域信息、结冰厚度的测量以及多点覆冰的三维重构。首先,分析冰厚和面积对结冰定位精度的影响;其次,通过定义准确率和偏差率2个评价指标,来确定最优区域识别效果的参数值;最后,通过冰厚试验标定了信号差异系数与冰厚之间的关系曲线,并据此反演出结冰三维成像结果。实验结果表明:基于平行线布局的压电阵列结冰探测系统能够完成多点结冰三维重构,为实现飞机结冰三维成像提供了新的思路。

基于Messinger扩展模型蒸发对结冰溢流特性的影响研究

传统Messinger扩展模型将蒸发简化为壁面温度的线性函数,以便推导冰层和水膜温度微分方程的原函数。但结冰过程中蒸发与壁面温度并非线性关系,若引入蒸发非线性计算式,冰层和水膜温度微分方程将无法推导出原函数。而且有研究者在应用Messinger扩展模型时忽略了蒸发对结冰的影响,在某些状态下可能造成较大误差。针对以上问题,本文对Messinger扩展模型做出改进。将冰层和水膜温度假设为带未知系数的线性方程,建立未知系数的隐示表达式,采用牛顿迭代对未知系数进行求解,以数值迭代代替方程推导。基于NACA0012翼型,对忽略蒸发以及采用不同蒸发计算式对结冰外形的影响进行了分析。通过计算不同环境温度下的结冰外形,并与FENSAP-ICE软件和试验冰形进行对比,验证了该改进方法的有效性。

混合相结冰条件下多段翼的撞击黏附与积冰的数值模拟

随着飞机结冰问题研究的深入,混合相结冰问题已经成为研究热点。本文使用了阻力模型、黏附模型和结冰热力学模型来计算混合相结冰条件下的准三维多端翼的结冰情况。首先对多段翼进行了网格划分和空气流场计算。然后进行了数值模拟计算,分析了混合相结冰条件下冰晶的撞击、黏附和积冰特征。结果表明,在本研究的条件下,冰晶的黏附质量流量很高,会对飞行安全造成威胁,并且冰晶在溢流水区域也会发生黏附。此外,随着液态水含量(Liquid water content,LWC)与总水含量(Total water content,TWC)比值的升高,冰晶更容易黏附在表面并参与表面结冰。

基于CFD的系留气球表面结冰研究

目的预测不同环境条件下系留气球的结冰部位与结冰量,为系留气球的安全运行提供参考依据。方法利用气候试验室对柔性材料制成的试验件进行结冰研究,并与金属表面结冰进行对比分析,明确柔性材料的结冰机理。采用数值模拟的方法,对某型系留气球进行多参数多状态结冰研究,同时开展系留气球结冰后的稳定性分析。结果保持一定刚度的柔性材料和金属材料结冰情况基本一致,结冰机理相同。计算得出了通常结冰、冻雾和冻雨条件下,各俯仰角下系留气球表面的结冰分布情况。通常结冰条件下,结冰主要发生在尾翼前缘,结冰量随风速和俯仰角增大而增大;在冻雾和冻雨条件下,结冰部位则出现在囊体和尾翼,结冰量随风速和俯仰角呈V形变化。结论依据计算结果开展稳定性分析得出,系留气球在剩余浮力正常的情况下具备一定的“结冰容限”,但长时间处于恶劣天气时仍需开展冰雪应对措施。

基于相场法的极地船舶结冰再辉过程模拟

极地船舶结冰是空气或海水中的过冷液滴落到船上后形成的。过冷液滴中的结晶核形成后,晶核进一步凝固放热使液滴温度重新回到凝固点并形成冰水混合物的过程被称为再辉,这是冻结阶段的开始。使用相场法,对不同过冷度下结冰再辉过程进行模拟,研究再辉后的结冰形貌和冰相比例。结果表明,过冷度对再辉结果有一定影响,再辉过程中的枝晶生长速度先快后慢,再辉结束后的冰相比例随过冷度增大而增大,过冷度从30K增至45K时,冰相比例从11.92%增至29.17%。

风力发电机叶片结冰检测及防除冰技术综述

风力发电机叶片结冰是风电机组在高寒地区常见且具有挑战性的问题,叶片结冰会改变其空气动力学特性,表面粗糙度增加、阻力增加、功率损失,甚至使塔筒与风轮之间产生共振现象。对风力发电机叶片结冰过程、结冰类型、结冰等级进行了阐述,并对目前现有的叶片结冰检测方法和防除冰技术进行了归纳。为更好地解决叶片结冰对风电机组的影响,可针对不同的气候及区域使用相应的结冰检测技术和防除冰技术,减少叶片结冰对风电机组产生的影响。掌握这一领域的发展现状,对推动风电行业的发展具有重要意义。

基于特征提取和最优加权集成策略的风机叶片结冰故障检测

针对风机叶片结冰检测中现有集成方法不能充分发挥不同个体分类器优势的问题,提出了一种基于特征提取和最优加权集成学习的叶片结冰检测模型。首先,用堆叠降噪自动编码器提取结冰关联特征后,考虑不同单一分类器在二分类应用中的表现及其差异,选择随机森林、极限梯度提升树、轻量梯度提升机、K-近邻算法作为个体学习器,并用贝叶斯算法对其进行超参数优化。然后提出基于序列二次规划的最优加权集成策略对叶片状态进行判别。最后利用金风科技提供的15号和21号风机的历史数据进行了仿真实验,结果表明:所提出的检测模型与个体学习器及其他集成模型相比多项指标均有所提升,准确度达到了99.2%,在结冰检测方面具有一定的有效性。

高速列车转向架结冰特性风洞实验研究

风雪严寒环境导致转向架区域冰雪大量堆积,严重威胁高速列车行驶安全.为分析风雪严寒天气下转向架的结冰特性,采用包含简化车体和动力转向架的缩比模型,在中南大学轨道车辆积雪结冰风洞开展了高速列车转向架结冰实验研究.采用喷水系统模拟制动夹钳周围融水产生的喷水现象,以再现轮对甩水致转向架结冰过程.研究转向架区域动态结冰过程和整体结冰分布特性、各关键区域的结冰质量占比权重以及转向架结冰速率模型.研究结果表明:轮对甩出的水滴受紊乱流场作用扩散至转向架各个区域,在低温下结冰并随时间迅速发展,直至整个转向架区域被冰层覆盖;对于转向架舱,其后端板结冰严重,结冰质量占转向架舱结冰总质量的28%;对于转向架,构架和制动夹钳区域结冰分布最多,分别占转向架结冰总质量的34%和22%,空气弹簧、横梁和纵梁结冰分布较少,转向架呈现出底部结冰量大、结冰形状复杂的特性.随着结冰时间增加,各区域结冰速率不同,转向架舱、转向架的结冰总质量与结冰时间呈一次函数关系.研究获得的转向架结冰特性和结冰速率模型,可对一定运行时间内转向架结冰质量快速预测提供参考依据,对风雪环境下高速列车安全运行和转向架防除冰具有重要指导意义.

煤矿排水系统防结冰控制方法

针对北方煤矿冬季气温低导致排水系统地面管道结冰问题,提出了一种煤矿排水系统管路防结冰方案。在原有排水系统上设置放水管,放水管连接排水主管路与水仓,通过放水管上的电动阀门将主管路的水排入水仓,防止主管路结冰。排水逻辑:先判断液位,液位达到水仓排水水位即开启水泵,没达到水仓排水水位则对比下次排水时间与结冰预测时间,如果下次排水时间大于结冰预测时间,说明在排水之前管道将会有结冰风险;之后判断管道温度,当水温低于2℃时,进一步判断液位,若此时液位大于最低液位,则开启排水泵至最低液位,若此时为最低液位则开启放水管,将主管路的水排至水仓。应用结果表明,该方案实现了煤矿排水系统的无人化,节约了能源。

结冰天气现象时空特征分析

文章基于全国842个国家级地面观测站1961—2017年日观测资料,提取生成结冰天气现象序列,对全国范围内结冰日空间分布、结冰天气现象长期变化趋势及异常序列进行了统计分析。结果表明,中国结冰日北多南少,结冰日和纬度呈现明显的相关性;全国整体结冰日呈下降趋势,变化速率约为每10年下降2.3天;结冰异常序列年份大部分集中在1965—1973年和2010—2013年,除观测业务调整造成序列异常外,对结冰天气现象观测资料缺少质量控制也是造成序列异常的重要原因。研究结果为天气现象分析工作提供支持。

路面结冰检测技术发展研究

开展路面结冰检测是预防和减少交通事故的重要手段。首先,从气候条件、环境、道路基础设施这三个方面对路面结冰的影响因素进行了介绍;其次,分析了路面结冰的常见检测技术,包括基于气象数据的预测方法、基于路面状况的检测方法、基于遥感技术应用、基于人工智能与大数据技术融合应用,并从技术原理、常见应用等方面进行检测技术的探讨,每项技术都有其优势和缺点,多技术结合可有效提升结冰检测的精度和可靠性。

基于PCA-PSO-ELM的道路结冰预测模型

路面结冰对道路交通安全产生严重影响,有效预测结冰并采取主动的防冰措施成为解决这一问题的最有效且经济的手段。为提高道路行车安全,实现对路面结冰的精准预测,提出了一种融合主成分分析法(PCA)、粒子群优化算法(PSO)和极限学习机(ELM)的道路结冰预测模型。首先,针对相对湿度、大气压强、空气温度、风速、风向、路面温度、水膜厚度、融雪剂浓度8个影响因素进行主成分分析;然后,提取影响因子的主成分,并设定PSO算法参数、种群规模和迭代次数;通过粒子群优化算法搜索极限学习机模型的最优输入权值和隐含层神经元阈值,从而构建了PCA-PSO-ELM道路结冰预测模型;最后,利用3个路段的路面气象数据对模型进行验证。结果表明:PCA-PSO-ELM结冰预测模型的平均预测准确率达到95.85%,显著优于传统ELM、BP神经网络及SVM;此外,该模型在相同时间的不同路段和不同时间的相同路段上均表现出较高的预测准确率、精确率、召回率及F1分数,表明其具备优秀的泛化能力。PCA-PSO-ELM模型在保证准确率的同时,提高了路面结冰预测结果的稳定性,为有效应对路面结冰问题提供了坚实的理论支持。

结冰气象探测飞行及数据符合性分析方法研究

结冰气象捕获、最优气象条件选取准则、符合性数据处理方法等一直是飞机自然结冰试飞过程中亟待攻克的难题。通过分析CCAR25部附录C结冰气象标准的形成背景及其局限性,提出一种利用结冰试验研究机开展结冰探测的飞行方法,该方法包括试验研究机的选型、改装、探测目标区域确定、飞行操作策略、飞行安全管理、数据处理等。依据对探测数据的统计分析,确定民用运输机自然结冰试飞的气象条件选取准则,规范云隙、液态水含量、总水收集率、积冰速率、积冰厚度和冰脱落程度等一系列结冰气象的数据处理方法和符合性判据,校验国内结冰气象预测算法,探索自然结冰试飞的安全管控策略和风险降解措施。大量飞行实测表明:该方法通用性强,效果显著,已经成功应用于C919大型客机合格取证试飞工作,并有力支撑了国内结冰适航标准自主。

不同当量轴载作用下结冰路面抗滑性能变化规律研究

路面抗滑性能受路面水环境影响巨大,不同的交通荷载也会对抗滑产生影响,开展不同当量轴载作用下结冰路面抗滑性能变化规律研究意义重大。通过在交通部公路交通试验场开展实车实验,研究了不同路段、不同当量轴载作用次数与不同结冰厚度条件下,路面摆值变化的规律,厚冰层表面温度与摆值的关系,以及室内实验和室外实验结果对比。结果表明:厚冰层表面温度每上升1℃,路面摆值将下降0.87BPN。由于受试验条件限制,不同轴载作用下结冰路面抗滑测试数据未能呈现明显的变化规律。

机翼混合相冰晶结冰现象的数值研究

为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰和侵蚀全物理过程的混合相结冰数值计算方法。分析了冰晶质量浓度(ice water content,IWC)、液态水质量浓度(liquid water content,LWC)以及冰晶黏附和侵蚀效应对结冰形态和结冰厚度的影响规律,对比了NTI和NRC两种冰晶黏附模型的适用条件。研究结果表明:当总水含量(total water content,TWC)一定时,随着冰水含量比IWC与LWC之比的增加,结冰覆盖面积逐渐减小,最大结冰厚度先增大后减小,冰形由冠状逐渐变为尖角状,当IWC与LWC分别为0.4 g·m^(-3)和1.0 g·m^(-3)时,驻点处的结冰厚度达到最大值;对于高IWC工况,NRC黏附模型的驻点结冰厚度更接近实验结果,误差为7.2%;对于低IWC工况,NTI模型与NRC模型的驻点结冰厚度接近;侵蚀作用主要影响翼型驻点附近的区域,IWC或LWC的增大均会加剧侵蚀效应。研究可为飞行器高效防除冰系统的设计提供理论依据。

基于深度学习域适应的飞机结冰图像气泡提取方法

针对采用深度学习方法提取结冰显微图像中的气泡需要大量标注数据,但人工标注气泡任务较为困难的问题,提出了一种基于风格迁移网络CycleGAN和图像分割网络Attention U-Net的域适应提取方法。该方法通过程序模拟气泡形态生成的图像为源域,结冰显微图像为目标域,通过CycleGAN将源域图像转为目标域风格,采用风格转换后的源域数据集训练Attention U-Net网络。通过对比实验对无标注结冰图像和少量标注图像两种情况进行验证。实验结果表明,在无标注图像的情况下,可实现无监督的结冰显微图像的气泡提取;在只有少量标注图像的情况下,该方法可实现更精确的气泡提取。

基于经典成核理论的跑道结冰温度建模及仿真

目的 为进行积冰事件的预测,减小跑道积冰对飞机地面运行安全的影响,对跑道表面结冰温度展开研究。方法 从微观角度分析冰核在固体表面的形成机理,以接触角参数表示材料表面特性,基于经典成核理论建立结冰温度模型,在不同的边界条件下进行相应的数值模拟和跑道表面结冰的仿真模拟实验,最后完成模拟跑道低温环境的结冰温度实验。结果 对于机场跑道环境下因飞机轮胎摩擦而留有胶迹的水泥道面,胶迹比水泥更易结冰;以醋酸钙为主要成分的机场跑道除冰液可抑制跑道结冰,质量分数越大,抑制作用越强,从质量分数5%提高到40%时,结冰温度降低12.02℃;最后通过在模拟跑道低温环境下的实验,对比得出该模型的预测结果与实际值之间的误差约为0.94℃。结论 材料的表面自由能越高,结冰温度越高;高粗糙度对结冰起促进作用;机场跑道除冰液通过降低道面冰核的形核率和半径生长速率来抑制跑道结冰,质量分数越大,抑制作用越强;该模型可以为跑道积冰预警提供结冰温度预测的理论基础。

低温试验室内小型风洞设计及结冰过程试验

在低温试验室中利用自搭建风洞设备提供水结冰所需的风速和温度条件,研究了极区风速、温度对水结冰速率的影响.结果表明:结冰池经历了整体快速降温和结冰两个阶段.在前一阶段对流换热占主体换热地位,风速影响大于温度影响;后一阶段随冰厚增加热传导占比逐渐上升,温度的影响也逐渐上升.结合温度变化与冰厚生长数据,计算得出降温速度与结冰速度,结合温度与风速分别进行曲面拟合,得到降温速度、结冰速度关于温度、风速的关系式.

大型结冰风洞双供水供气喷雾控制系统研制

双供水供气系统是保证结冰风洞实现过冷大水滴(Super-cooled Large Droplet,SLD)云雾模拟能力的关键,针对现有喷雾系统存在SLD云雾模拟能力不足、运行包线有待扩展等问题,研制了一套大型结冰风洞双供水供气喷雾控制系统。针对喷雾系统控制变量多、测量点数大等特点,基于工业以太网络建立分布式控制系统,制定了试验流程、方法与策略,建立了完善的双供水供气喷雾试验技术,并开展了系统调试与验证。试验结果表明,双路水压、气压控制精度均稳定在1%以内,达到了系统设计指标,该系统可为后续我国飞行器适航审定提供有力支撑。

风力机叶尖常用翼型结冰对其气动性能的影响

风力机叶尖位置结冰对其气动性能与功率输出影响显著。因此,针对实际运行风力机叶尖位置处翼型结冰前后的性能评估尤为重要。该研究基于GW87/1500型风力机运行条件,采用计算流体力学方法,以风力机叶尖常用的DU-96W-180、DU-95W-180、S810翼型为研究对象,分析3种叶尖翼型结冰特性和结冰前后气动性能变化。结果表明:在轻度、中度、重度3种结冰工况下,DU95-W-180翼型和DU96-W-180翼型结冰质量、结冰厚度和结冰极限相近,S810翼型结冰质量和结冰厚度较小。轻度结冰工况下,3种翼型最大升阻比所对应的攻角与未结冰时一致,为7°左右;中度结冰工况下,DU95-W-180、DU96-W-180两种翼型最大升阻比所对应的攻角仍为7°左右,而S810翼型最大升阻比所对应的攻角提前到5°附近;重度结冰工况下,3种翼型气动性能下降更加显著。不同结冰工况下,3种翼型前缘处压力系数发生剧烈振荡,压差减小,致使升力降低;结冰后翼型前缘及尾缘位置出现分离涡,且随结冰工况从轻度到重度,3种翼型表面流动分离加剧。3种翼型中,DU96-W-180翼型在结冰前后的气动性能更优。研究结果可以应用于寒冷地区风力机叶片设计时的翼型选型,以提高风力机的风能利用效率。