基于PHengLEI的非稳态电热除冰过程仿真

为了填补国产自主可控CFD软件风雷平台的防除冰功能开发的空白,本文建立了电热除冰计算模型、计算方法和非稳态导热模型,并在国家数值风洞风雷平台(PHengLEI)基础上,集成了非稳态电热除冰计算和非稳态导热计算功能。通过与主流商业CFD软件仿真结果和实验数据的对比,验证了导热和非稳态电热除冰程序的准确性。针对某飞行工况进行了电热除冰计算,通过对表面溢流水、表面温度、结冰量的计算结果分析,发现合理布局加热片、设计加热热流密度和电热除冰控制率,可实现电热除冰系统的安全运行和能源的高效利用。

风机叶片结冰机理和电热除冰分析

风机叶片在寒冷地区应用过程中经常会出现结冰现象,导致风机的输出功率损失、叶片的气动性能下降和叶片的载荷增加,严重时甚至会导致叶片折断。以NACA0012翼型为例,研究叶片的结冰机理和影响叶片结冰的因素,分析叶片在不同温度、液态水含量、液滴直径和风速下结冰形状的改变及结冰前后气动性能的变化;研究叶片在电加热除/防冰处理下表面结冰形状的改变。结果表明:随着温度的下降,结冰类型逐渐由雨凇向雾凇过渡,积冰逐渐堆积在叶片前缘;叶片上的覆冰质量与风速、液态水含量和液滴直径呈正相关关系;叶片结冰会明显降低叶片的气动性能;对叶片进行电加热除冰,能有效减少叶片表面的覆冰。

电热除冰传热特性的结冰风洞实验研究

利用结冰风洞设备和电加热除冰装置,采用实验的方法研究了不同加热模式、冷却时间、加热功率和冰脱落对传热特性的影响。研究表明:设置合理的冷却时间和加热功率,采用高功率的周期性加热模式比采用低功率的连续性加热模式更优越,不仅除冰时间更少,而且能量消耗也更少,从而为电热除冰系统加热模式的选取和传热特性的优化提供了实验依据。

改进的电热除冰系统仿真

建立了电热除冰系统矩形微段的二维简化物理模型,采用焓法模型建立相变导热问题的微分控制方程,用控制容积法对该模型的控制方程及其边界、初始条件进行离散,使用块修正技术对原有的离散方程组的求解方法进行了改进,得到各个时刻的温度分布及冰的融解情况.计算结果与文献实验结果吻合,验证了改进的算法和程序的正确性.并计算分析了时间步长的选择、网格的划分对计算结果的影响.

冰脱落对电热除冰传热特性的影响研究

冰脱落对电热除冰传热特性的影响是电热除冰过程中的重要特征。采用有限体积法和混合网格技术,基于热焓方法将传统的相变传热模型应用到电热除冰计算中,研究了冰脱落对电热除冰传热特性的影响,主要研究了加热模式和加热单元间隔对除冰结构传热特性的影响。研究发现:无间隔除冰单元是有间隔除冰单元的特殊情况,其蒙皮表面温度历程在本质上是一致的。冰脱落后,无间隔除冰单元蒙皮表面温度开始剧烈上升然后逐渐缓慢上升。而对于有间隔除冰单元,随着间隔上加热功率的降低,温升过程逐渐缓和。单元间隔的加热功率降低到一定程度时,表面温度出现温降过程。当传递到蒙皮表面的热量和对流换热带走的热量差逐渐趋于稳定时,表面温度又开始逐渐稳定的上升。

电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

采用计算和实验相结合的方法,初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响。在电加热条件下,耦合外部气动力载荷的作用,采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布,比较了加热/不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别,研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律。研究发现,电加热条件下,在表面冰层融化前,热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加,从而造成冰层局部区域的破裂,加速冰层的破坏。同时,设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破坏影响。研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义。

基于高分子电热膜的风电叶片电热除冰功率密度计算模型

以融冰界面位移与相变传热理论为基础,考虑了玻璃纤维增强树脂复合材料层和冰层的升温蓄热、界面冰层融化相变潜热以及冰层与周围空气的对流传质、对流换热和辐射换热等影响,提出了一种基于高分子电热膜的电热除冰功率密度计算的数学模型。对特定除冰模型进行了功率密度的计算,并通过模拟特定环境下的实际除冰实验对计算结果的准确性进行了验证,计算结果与实验结果吻合较好。

基于电热除冰的桥面融雪化冰温度场数值模拟研究

为研究发热电缆在桥面铺装中的布置方法,依据有限差分方法建立数值模型,采用控制变量法,研究不同电缆布置间距、布置深度条件下桥面铺装的温度场分布,并对铺装层表面的温度分布进行分析,数值计算结果表明:为确保沥青路面表面的温度分布的均匀性,电缆埋置深度应该不小于4cm,电缆分布的最佳间距为10cm。

飞机机翼电热除冰控制系统设计

飞机机翼结冰会对飞行安全产生严重影响。为了实现对飞机机翼的自动除冰控制,本文提出一种双余度电热除冰控制系统的设计,该系统是包含2台控制器和4台电源配电盒的综合处理系统。通过运行除冰控制解算软件,完成自动除冰控制和内部故障的实时监控,并通过主备控制器间的信息共享和对有效通道的选择和切换,使该系统具有容错机制,同时配电盒的低功耗设计,确保机翼电热除冰控制系统的可靠性。该设计具有良好的工程应用价值。

电热除冰的可行性研究

1月中旬以来南方地区出现历史上罕见的冰雪凝冻灾害，使得提出更好的除冰方法成为当务之急。有没有比人力除冰更好的办法呢？针对这个问题，本文提出了用电热除冰代替人力除冰。为了论证电热除冰的可行性，首先选取LGJ-400、LGJ-300、LGJ-240、LGJ-120、LGJ-50钢芯铝绞线为基础建立模型。然后通过计算和参考架空线防覆冰设计标准等进行综合考虑，选择了LGJ-400、LGJ-300、LGJ-240、LGJ-120覆冰后的架空线总直径为6cm，LGJ-50为4．5cm，长度都为50000米的模型，并根据模型算出除冰所需要的电流、电压和功率。然后根据计算结果得出在现有的技术条件下，使用电热除冰及防止覆冰是可以实现的结论。最后给出三种情况下的除冰电路图。

翼面前缘共形电热除冰功能结构开发与验证

针对飞机翼面前缘的防/除冰问题设计开发了一种轻质、高效、低能耗、共形的飞机翼面前缘石墨烯复合材料电热除冰功能结构并开展了除冰性能实验验证。采用将石墨烯加热膜与复合材料层合结构集成的设计方案,使用自研开发的热压成型设备在飞机翼面前缘原位胶接固化了0.75 mm厚的石墨烯复合材料电热除冰共形加热器功能结构;通过实验比较常温和低温环境下相同功率密度时共形加热器的温升情况,验证了共形加热器的加热均匀性和稳定性;采用一种原位共形结冰技术在飞机翼面前缘表面制备了厚度可控的冰层并进行了加热器除冰性能测试,获得了不同功率密度情况下共形加热器的除冰效果,并将其与传统翼面前缘金属丝共形电热除冰结构进行对比分析。结果表明:共形加热器与翼面前缘共形胶接质量良好,面密度为0.0827 g/cm^(2),热响应迅速,加热性能稳定,加热区域温度均匀;随加热器功率密度不断增加,除冰时间缩短,除冰效果变好;功率密度为15 kW/m^(2)时可在40 s内完全融化底部界面冰层;在达到相同除冰效果的前提下,与传统翼面前缘金属丝共形电热除冰结构相比,新型电热除冰结构所需功率密度明显更低。因此开发的飞机翼面前缘石墨烯复合材料共形加热器可真正实现结构功能一体化,在不改变飞机翼面前缘气动外形和重量增加极小的情况下获得优良的电热除冰效果。

风力发电机叶片除冰技术及相关材料研究进展

风力发电机叶片在低温环境下极易结冰,会严重影响风电机组发电效率。针对风电叶片的除冰,分析风电叶片表面覆冰的原因及类型,综述目前国内外主要的风电叶片除冰技术,包括涂层除冰、机械除冰、气热除冰及电热除冰,其中电热除冰技术具有可观的发展前景。传统电热除冰技术能耗高,寻找新型的低能耗、高效率电热除冰技术已成为目前重点研发之一。石墨烯具有优异的力学性能和导电升温性能,在电热除冰领域具有发展潜力。

飞机电热除冰的研究进展与展望

飞机在结冰气象条件下容易发生结冰现象,冰的存在会破坏飞机气动特性,影响飞行安全,严重结冰可导致机毁人亡,故必须及时将冰移除。电热除冰是目前最常考虑的除冰方式之一,本文系统介绍了电热除冰装置及其工作原理。首先,主要围绕除冰过程的传热特性、冰层力学特性和冰脊的形成,详细阐述了国内外电热除冰研究的发展。然后,针对国内外研究存在的一些问题,提出了几点对电热除冰研究的粗略想法,电热除冰数值计算方法和模拟技术研究、热力耦合特性对冰层融化和力学特性的影响研究、冰脱落准则和运动规律研究是未来研究需要重视的方向。

用于碳纤维复合材料的电热除冰技术实验研究

针对碳纤维复合材料机翼的电热除冰技术研究现状,提出了采用多层材料结构的电热除冰垫技术方案。该电热除冰垫各层均由具有不同热功能的材料构成,其中部分材料为根据性能需要自行制备得到的。采用有限容积法(FVM)对除冰垫的性能进行了数值模拟,确定了隔热层厚度,验证了加热回路的均匀性。根据所确定的方案制备了电热除冰垫,并利用自行搭建的除冰验证装置对该电热除冰垫的性能进行了实验研究,得到了加热热流密度、来流风速、来流与除冰表面间夹角对除冰性能的影响规律。研究表明,该电热除冰垫具有良好的除冰性能,除冰方案可行。

超疏水表面材料在电热防/除冰系统应用中的节能原理分析

近年来,超疏水表面材料以其在各个领域中的巨大应用价值引起了人们的广泛关注。首先介绍了超疏水表面材料在电热防/除冰系统中的最新研究进展和实验结果,即超疏水表面材料可以有效减小机翼表面与冰层之间的粘性力,抑制溢流冰层的形成,节省大量电能;然后从能量守恒的角度,详细分析了超疏水表面材料在电热防/除冰系统应用中的节能原理,并探讨了超疏水表面材料在直升机旋翼桨叶电热防/除冰系统中应用的可能性,为国内开发高效、节能的电热防/除冰系统提供理论参考。

基于电热效应超疏水抗冰涂层的制备及其性能研究

自清洁超疏水材料被认为是优良被动防冰材料,但若不及时除去覆冰,易导致涂层积冰严重,进而防冰失效。因此,为进一步改善抗冰效果,将电热主动除冰和被动防冰相结合,以甲基丙烯酸硬脂酸酯为树脂基体,同疏水SiO_(2)和炭黑光聚合制备电热超疏水涂层,其水接触角可达156°。由于炭黑的加入,超疏水涂层具有优良的电热性,可以达到快速除冰效果,有望应用于防冰领域。

电热除冰复合材料层合板拉伸性能试验研究

当飞机在寒冷或多云的天气条件下飞行时,大气中的过冷水滴撞击在飞机表面,在飞机的气动表面很容易形成冰层。这种条件不仅增加了飞机的重量,而且还会导致机翼表面气流分离,造成飞行阻力上升、操作性下降、稳定性减弱,对飞行安全形成很大威胁[1]。为了减少相关的安全事故,飞机上的除冰防冰系统起到了关键性的作用。其中,电热除冰系统因其低能耗、易控制,越来越广泛地应用于飞机机翼除冰。

基于电容频率扫描法的机翼结冰实时探测系统

针对平面电极传感器在薄冰探测过程中存在硬件设计复杂、厚度计算滞后和无法重复探测的问题,设计了一种可用于小型飞机的机翼结冰实时探测系统。选取具有高导热特点的氧化铝作为平面电极传感器基板材料,使用电容频率扫描法对不同厚度下的薄冰特性进行测量,并通过嵌入NUC平台中的神经网络模型完成对冰厚的实时预测。实验结果表明,在0~2 mm的探测厚度范围内,所建立模型的训练集、验证集和测试集在[-0.2 mm,+0.2 mm]误差区间内的预测概率分别为97.7%、96.3%和70.5%。为实现系统的重复性探测,进一步研究了不同初始温度下传感器表面的薄冰相变行为,为机翼覆冰厚度的高精度检测与实时测量提供了一种潜在的技术。

网格尺寸对碳纤维丝束风力发电机叶片融冰效果的影响研究

基于碳纤维材料优良的电热性能,针对碳纤维复合材料在风力机叶片的电热防冰/除冰技术研究现状,提出基于T3001K碳纤维丝束的风力发电机叶片防冰/除冰的方法。制作包含保护层、基层和发热层3层结构的碳纤维发热元件。在多功能人工气候实验室测试碳纤维发热元件的融冰性能。采用数值计算法研究碳纤维发热元件融冰过程中的表面温升特性。结果表明:碳纤维发热元件具有优良的融冰性能,较传统电热除冰方法具有质量轻、电阻稳定性较好、发热均匀性良好等优点;网格尺寸越大,发热元件的发热均匀性越差;相同的加热功率密度条件下,网格尺寸对发热元件的融冰效果影响较小。

周期电加热控制律对除冰表面温度的影响

研究周期性电热除冰系统加热控制律对表面温度的影响是进行系统设计和优化的前提.在采用焓法模型对二维电热除冰系统矩形单元的瞬态传热模型进行建模的基础上,采用控制容积法全隐格式求解控制微分方程,对周期性电热除冰表面的温度进行了计算.分析了影响表面温度的主要因素,得到表面温度与加热控制律的关系,结果表明:供电热流密度的大小和供电周期对系统除冰效果有重要影响,需要合理匹配.