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%。

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。

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。

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。

导流板结构对高速列车转向架区域积雪结冰的影响

高速列车转向架在高寒风雪地区存在积雪结冰问题,影响列车的安全运行和运行稳定性能。为了解决高速动车组转向架区域的积雪结冰问题,以保证高速列车运行安全,提高列车冬季运行品质,提出基于流场控制的导流板结构,并针对简化的车体和转向架模型,采用三维雷诺时均Realizable k-ε湍流模型,耦合离散相模型(DPM)进行数值仿真,通过试验验证的湍流计算模型,模拟高速动车组转向架区域流场和雪粒分布情况,明确高速列车转向架区域积雪结冰成因,并分析导流板优化结构对防治积雪结冰的效果。研究结果表明:原始工况中,转向架区域气流速度较高,转向架表面压力较大,安装在前侧的导流板结构,能够有效地改变进入转向架区域的气流流向,降低转向架上方的气流速度,减轻气流对转向架底部表面的气流冲击,降低转向架周围的雪粒分布范围,减少转向架表面的粒子黏附数量。其中,对于第1台转向架,雪花黏附数量相对于原始工况依次减少22.56%、52.15%;对于第2台转向架,雪花黏附数量相对于原始工况依次减少48.50%、49.59%;对于第3台转向架,雪花黏附数量相对于原始工况依次减少50.03%、49.70%。但沿着列车运行方向,导流板的作用减弱。今后将研究真实编组的工况以进一步判断导流板的作用,并开展原理样机的相关试验工作。

过冷大水滴动力学行为对翼型结冰的影响分析

过冷大水滴(SLD)是极端危险的飞行环境之一。因大粒径水滴独特的动力学行为变形破碎、飞溅反弹,传统结冰计算方法难以准确地反映SLD结冰情况。采用Navier-Stokes方法求解流场、Euler方法计算水滴撞击、Shallow Water模型模拟结冰,并与NASA实验结果进行了对比验证方法可信。结果表明:SLD动力学行为对结冰和冰形影响较大。其中,变形破碎改变了水滴运动轨迹和撞击范围,降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小2.83%、2.13%;飞溅降低了驻点附近水滴收集率,导致前缘积冰量减少8.09%;反弹显著降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小30.69%、20.01%;撞击后飞溅反弹二次水滴再入流场使得上下结冰极限增加6.14%、3.71%。同时,与干净翼型相比带冰翼型空气动力学性能严重退化,在相同迎角下,升力更小、阻力更大、气动效率更低。

0.75m×0.50m结冰风洞气动——热流场品质评估

结冰风洞气动—热流场品质是结冰风洞开展试验应用的先决条件,为评估0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场品质,依照SAE ARP 5905结冰风洞标准,对0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场开展符合性校测试验,考察试验段中心截面的气流速度场、方向场和温度场品质,获得试验段气流速度修正关系和气流总温修正关系。结果表明:试验段气流速度空间最大偏差小于±2%,且试验段气流速度空间均匀性会随着气流速度的增大而得到改善;试验段气流偏角空间最大偏差小于0.8°;气流总温在-20℃以内时,空间均匀性可达到±1℃,气流总温为-30℃时,空间均匀性可达±2℃;0.75m×0.50m结冰风洞的气动—热流场品质符合SAE ARP 5905要求。

飞机翼面结冰试验积冰厚度探测技术研究进展

结冰导致的飞机翼面升阻特性恶化直接威胁飞行安全,一直以来都是航空领域关注的热点问题,为了复现翼面结冰过程和剖析翼面结冰、防除冰机理,开展翼面结冰试验十分必要。为了定量刻画飞机结冰试验中的翼面积冰厚度和形态,国内外研究人员开展了大量卓有成效的测试方法研究。本研究通过系统梳理近年来提出的翼面积冰厚度和冰形测量方法以及结冰传感装置,按照物理原理将其划分为直观法、谐振法、光学法、电学法、热学法、波导法、混合法等测量方法,简要介绍了各方法的设计原理、优缺点和适用范围,期望能够为飞机翼面结冰试验、防除冰系统设计等技术发展提供有益参考。

机翼结冰特性及复杂流场分析研究进展

飞机结冰理论和致灾机制对预防结冰事故和提高飞行性能至关重要。本文系统地总结了不同冰形条件及特殊机翼流场特性的研究进展,指出实际三维冰形具有复杂、多样的结构特征,与分离流和湍流结构的耦合作用机制有待进一步深入研究;过冷大液滴条件下的特殊机翼的气动性能分析是未来重要的研究方向;湍流场分析侧重识别结冰翼型流场不稳定性特征及多尺度结构相互作用机制。探索积冰—流场耦合机制,对提出多因素、多参数、多尺度结冰预测与计算模型具有参考价值。