电加热防/除冰过程中溢流水再冻结数值模拟

当飞机飞行过程中遇到结冰工况时,为保证飞机的飞行安全以及气动性能,常使用热防护方法作为飞机防除冰的重要手段。本文通过使用共轭耦合方法建立了机翼内部多层导热与水膜流动的耦合计算模型,并针对电加热防除冰过程进行了一系列数值模拟计算。研究选取了可进行非稳态计算的Myers水膜模型,电加热组件导热模型则采用有限体积法隐式离散进行计算,水膜模型与导热模型通过交换边界值的共轭传热方法实现松耦合。研究发现在电加热防除冰过程中,由于积冰融化和水膜流动会产生溢流水再冻结现象。对电加热系统开启后期的积冰外形进行了流场计算与气动分析,发现机翼上下翼面溢流水冻结部位会对流场产生扰动。通过Q准则判断积冰后侧产生了涡结构,对比未发生结冰的干净翼型,机翼前缘位置溢流水冻结导致压力系数曲线发生较大震荡,因此溢流水再冻结问题影响了机翼的气动性能,未能使电加热防除冰系统达到理想的防护效果。

石墨烯复合材料在电热防/除冰领域研究进展

飞机防/除冰系统是提高飞机安全性能、减少由于结冰引发飞行事故的重要装置。电热防/除冰系统具有效率高、加热均匀、除冰方式灵活便捷等优点,是目前重要的防/除冰方法之一。但传统电热材料普遍存在耗能较大的问题,因此寻找高效节能的电热材料成为目前研究的热点。石墨烯因其低电阻率、高热传导率等特点,在电热防/除冰领域有十分广阔的应用前景。首先介绍了飞机电热防/除冰装置及其工作原理和电热材料的研究进展,然后对石墨烯电热材料的优点和制备方法进行了简述,重点阐述了其除冰效率的影响因素和改进方法,最后总结了近年来研究人员对于电加热石墨烯复合材料的研究成果,并对其未来的发展进行展望。

复材加热组件一体成型制备及其热/力学性能研究

针对玻纤/环氧复合材料,采用平板硫化机热压成型制备工艺,将预封装的石墨烯加热元件内嵌于复材夹层中,从而制备得到复材加热组件。实验证明,该制备方法对石墨烯复合材料的阻值及发热影响较小,保证了石墨烯加热元件的防/除冰效率。基于复材加热组件,进行了热/力学性能实验和低温除冰实验。实验结果表明,复材加热组件的温升速率随热流密度的增加而增大,并且铺层位置对复材加热组件的温升具有较大影响。在冷环境除冰实验中,环境温度为-20℃,热流密度为0.3 W/cm^(2)时,相较于传统电加热组件,复材加热组件的除冰时间大幅减小,能耗减少约30%,为进一步制备复材加热机翼奠定了基础。

电弧放电激励器破除冰特性及裂纹扩展规律

结冰将严重影响飞行器气动性能,如何实现低能耗、高效率、快响应破除冰是当前飞机尤其是无人机亟待解决的问题。基于电弧放电激励器射流强度高、能耗低、响应快等特点开展破除冰研究。通过实验及理论分析,分析了单个激励器对不同长宽比冰型的破除冰特性,获得了单个激励器有效破除冰半径约5 cm,建立了放电能量与破冰厚度之间的关系。从能量控制角度,研究了固定放电能量情况下,激励器阵列破除冰特性及裂纹扩展规律,通过合理设置激励器间距,在相同能耗情况下,能够实现比单个激励器更大的破除冰面积。研究成果可为飞行器低能耗、大面积破除冰提供理论及实践参考。