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。

飞机除冰冲击射流多相流耦合模型研究

以飞机除冰喷洒作业为研究对象,对冲击射流与冲击壁面进行建模和数值模拟,分析了冲击壁面的速度压力分布特性。用相场函数φ解释了相场和水平集模型模拟出的射流偏转现象,探讨了冲击射流周围压强分布梯度不均匀的原因,以Realizable k-ε湍流模型为基础对比了不同多相流数值模型的模拟结果。发现冲击射流的截面沿着中心轴线呈锥状发展,在滞点处流速迅速衰减为0,压强达到最大值。壁面射流在偏离滞点0.15~0.2 m的位置逐渐获得最大流动速度。最后对比了实验常用的紊流系数与不同多相流模型的模拟结果。综合考虑模型模拟出的速度、压力分布特性及射流紊流系数得出结论:混合物模型和相传递混合模型比较适合进行飞机除冰射流以及类似的大流速、多流体微团类的流动研究。

机场飞行区航空器与除冰车协同优化调度方法

针对现行“先到先服务”的机场除冰车调度方式效率不高的问题。以最小化除冰车行驶总距离和航空器等待总时间为目标函数,构建机位除冰车辆和航空器协同调度模型,并提出一种改进的遗传算法对模型进行求解。采用西安机场某天142条航班数据进行仿真实验,并与随机调度算法和贪心算法进行比较。结果表明,改进的遗传算法相较于随机调度算法和贪心算法分别节约15.23%和7.81%的行驶总距离,且航空器等待除冰时间大幅度减少。证明了所提算法在指导除冰车作业方面的优越性。

三维螺旋桨防冰热载荷分布研究

防冰热载荷分布预测是螺旋桨飞机防冰系统设计的关键,目前对螺旋桨飞机防冰热载荷的研究却十分匮乏。基于多参考系和Messinger热力学模型对三维螺旋桨进行了模拟,分析了防冰热载荷的影响。结果表明:防冰热载荷主要集中在叶片前缘,沿叶片展向先增大后减小;随着来流速度的增加,防冰功率及范围均先增大后减小。由于旋转效应的影响,迎角的影响可以忽略不计。此外,随着环境温度的降低,防冰功率呈线性增加。基于CCAR-25附录C规定的严重结冰条件,转速为660 r/min时,叶片的防冰范围在弦向上极限为2.1%,在弦向下极限为6.7%;防冰最大功率为9.5 kW/m2。单台螺旋桨防冰功率超过1.96 kW。本研究为螺旋桨飞机的表面防冰提供了科学的解释,为螺旋桨飞机防冰系统的安装提供了理论依据。

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。

飞机地面除冰作业协同控制仿真研究

针对飞机地面除冰作业过程协同性较弱及效率低下的问题,设计一种信息状态一致性的除冰作业协同控制方法。提出两阶段式除冰Agent模型并建立除冰效果最优、除冰时间最短的多目标协同优化模型,采用拉格朗日松弛算法构造最优作业参数可行解。结合除冰工艺及模式研究基于运行拓扑的除冰作业协作图,构建改进一致性的地面除冰协同控制方法。参照实际情况开展仿真验证,结果表明:一致性控制策略能够以最优的除冰效果将作业位置误差保持在1 m内,协同状态稳定在最大振幅范围,且能满足不同模态要求,与自适应和领航者2种控制方法对比精确度最大提升7.44%。

飞机集中除冰车辆优化调度方法研究

针对大型机场的飞机集中除冰车辆优化调度问题,采用遗传算法进行集中除冰车辆优化调度,提高大型机场的除冰作业效率,减少因飞机结冰造成的航班延误时间。该方法设计了染色体结构,初始种群生成方法,适应度函数和控制参数,完成了除冰车辆优化调度模型的建立。最后通过算例,验证了遗传算法对飞机集中除冰车辆分配调度的优化性能,为飞机集中除冰车辆优化调度提供了新策略。

飞机地面除冰效能与除冰参数相关性分析

飞机地面积冰导致飞行安全隐患和航班延误,除冰液除冰是缓解上述问题的主要方法,但缺乏除冰液使用参数和除冰效能的参考依据。以研究除冰液参数对除冰效能的影响为目的,分析了除冰液除冰机理,抽象出该过程的黑箱数学模型,建立了除冰过程的分段模型,通过数值模拟方法研究了除冰液温度和流量对除冰效能相关性。实验表明:除冰效能和除冰液温度正相关,但流量增加不能迅速提高除冰速度,反而造成除冰液浪费。验证了仿真结论的合理性,为除冰装备技术指标和性能优化奠定基础。

飞机地面除冰运行延误分析与调度方法

基于可拓理论对影响飞机地面除冰延误的影响因素进行了分析研究,基于分析结果设计出飞机地面除冰运行决策算法(HPFS&MD),构建了资源受限条件下大型枢纽机场飞机除冰地面运行多Agent模型,利用北京首都国际机场实际航班数据对上述算法进行了仿真实验验证.结果表明,将本文设计的HPFS&MD算法应用于大型枢纽机场的飞机地面除冰运行调度中,在飞机除冰总延迟时间、飞机延迟数量以及飞机延误率这三个指标上均优于传统的先来先服务(FCFS)策略,且HPFS&MD算法存兼顾不同驻场航空公司飞机除冰过程公平性的基础上,对多机型、不同除冰状态以及大量航班调度过程的表现也明显好于FCFS.

飞机除冰液地面除冰过程模型仿真与实验

描述了飞机地面除冰过程相关参数和热量损耗关系,选择机翼表面温度和积冰厚度作为描述该过程的状态变量,基于热平衡理论建立了该过程的数学模型。通过仿真研究,得出飞机地面除冰过程除冰效率的变化规律:提高除冰液温度,除冰效率明显提高;如果除冰液温度恒定,一味地增大除冰液流量,除冰效率提高不明显。在飞机地面除冰环境模拟装置上进行了模型验证实验,实验和仿真结果趋势一致,表明所建模型与实际过程匹配,可以为后续飞机地面除冰过程装备参数优化奠定基础。

Smith预估控制在飞机除冰车大滞后时变加热系统中的应用研究

分析了时变、大滞后系统特性,通过对现有较为成熟可靠的智能自整定PID调节控制算法、Smith预估控制算法以及最小二乘参数辨识法进行深度组合,达到了在增加较小运算量的前提下克服大滞后及时变特性给系统带来不利影响、优化系统软硬件配置的目的。针对飞机除冰车快速加热系统的计算机温度控制仿真结果表明获得了令人满意的控制效果。

飞机除冰车除冰液管路系统压力控制方法的研究

飞机除冰车是冬季冰雪天气下保障飞机安全飞行的重要设备,除冰车加热与喷射系统管路压力波动对除冰车加热温度控制和安全作业造成影响。在给出除冰车工作原理的基础上,分析了造成除冰车管路系统压力波动的因素,研究了除冰车管路系统压力控制的方法,建立了基于模糊控制和变频调速的管路系统压力控制方法,以克服管路系统压力波动和非线性因素。通过实验平台验证了设计方法的有效性,为工程设计提供了参考。

飞机除冰液加热与供液监控系统设计与实现

在飞机集中除冰模式下,除冰液的快速加热和大流量供液是飞机地面除冰系统工艺与设备的关键技术,为了提高飞机地面除冰的安全性和高效性,充分发挥除冰设备的效率,有必要对除冰液的加热和供液进行有效地监控和管理。介绍了除冰液加热与供液装置的工作原理,构建了基于上位机和PLC构成的分布式监控系统,对系统的硬件结构和网络组态形式进行了详细地描述。针对高粘度液体加热和大流量供液问题开发了除冰液管路压力控制算法和加热与供液软件模块,基于组态软件开发了上位机监控和管理单元。依据使用要求,在试验系统上分别对温度和压力参数进行实验,实验结果显示该系统能够满足使用要求,设计方案可行,为同类系统设计提供了参考。

基于迭代学习控制的飞机除冰液温度控制方法研究

在飞机集中除冰系统除冰液温度控制单元结构设计的基础上,分析了飞机除冰液加热温度控制系统的时变及时延特性。从理论上分析了迭代学习控制的稳定条件及对延迟干扰的鲁棒性,提出了基于迭代控制理论的除冰液温度控制策略,以克服系统的纯延迟给除冰液温度控制带来的不利影响。并利用系统的实际温升曲线模型对设计的控制策略进行了仿真研究,仿真结果验证了提出算法的有效性。

飞机地面积/除冰环境模拟与试验研究

飞机地面积冰是飞机进入冬季安全飞行的重要隐患,很多飞行事故都是因为没有清除飞机表面的积冰而造成的。基于对飞机地面积/除冰的真实环境的分析,在低温湿热试验箱中模拟积/除冰时的大气条件,对机翼积/除冰进行试验研究。通过改变环境温度、除冰液温度、流量、浓度等影响因素,利用光纤式结冰传感器得到不同环境条件下,除冰液参数对除冰过程的影响数据,并对这些数据进行了分析。试验结果表明该装置能有效地模拟飞机地面积/除冰过程,数据分析显示飞机地面结冰过程主要受外界环境温度,湿度(空气的水含量)的影响;对飞机地面除冰来说,除冰液温度参数是除冰效果达到最佳的关键因素。

飞机除冰/防冰液的流变特性研究

使用Brookfield粘度计对非牛顿流体型飞机除冰/防冰液的流变性进行了研究,通过对飞机除冰/防冰液剪切速率和剪切应力的测量和数据拟合,发现在中等剪切速率条件下,飞机除冰/防冰液符合幂律流体的流变特性;在剪切率趋近于0和趋近于无穷大时,飞机除冰/防冰液的粘度都是趋近于一个固定值,据此推导出新的流变方程,新流变方程能在整个剪切速率范围内很好的反应飞机除冰/防冰液的流变特性。

基于航班动态的飞机地面除冰装备数量优化

针对两类典型机场航班除冰延误及除冰装备参数优化问题开展研究。研究了除冰航班延误队列形成机理,提出了离港动态为三角形和抛物线形函数的除冰航班延误队列模型,以航班延误和除冰成本最小为目标,建立了两类典型航班离港动态的除冰喷嘴数量需求优化模型。以首都国际机场和哈尔滨太平机场除冰航班动态实测数据,对除冰喷嘴数量需求优化模型进行了仿真验证,仿真结果和实际数据接近,误差在8.1%以内。验证了模型的准确性,为类似机场飞机除冰喷嘴数量需求优化提供了参考依据。

基于GPRS网络的飞机除冰液加热监控系统

针对飞机除冰液加热,设计了一种基于GPRS(通用分组无线服务)网络的远程监控系统。它可以实现对设备的实时监控,及时有效地完成飞机地面除冰。该系统由上位机和下位机两部分组成:PLC作为下位机的控制系统,对执行机构进行控制输出,并且由A/D转换模块采集加热设备管道内的物理参数;远程控制中心作为上位机的监控系统,包括两种方式:一是利用数据服务中心作为远程控制中心,二是利用组态软件设计系统的操作界面作为远程控制中心。GPRS DTU(data transfer unit)通信模块通过GPRS网络完成与远程控制中心的无线通信,实现上位机与下位机之间的数据交互。

非调度因素对航空器除冰保障能力的影响分析

为研究非调度因素对繁忙机场冬季航空器除冰保障能力的影响,缓解不完整信息条件下航空器除冰需求激增所引发的安全运行压力,采用多目标0-1整数规划构建除冰航空器分配模型,并以我国某典型冬季繁忙机场3年降雪季的13 681架次除冰航班为样本,比较多种非调度因素不同组合下的20种情境,分析非调度因素对航空器除冰保障能力的影响。研究表明：极端降雪天气下,充足的除冰资源投入比资源使用方式优化更能有效提升保障能力;小雪及无降雪（除霜）天气下,航班时刻编排不合理可能导致与除冰资源投入和利用无关的保障压力;除冰资源投入量及使用限制程度共同影响航空器除冰保障能力。

飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用

飞机结冰是飞行过程中所面临的严重安全隐患,不同气象条件下会产生各种不同的结冰类型。文章介绍了几种常见冰型、成冰机理及其对飞机结构和系统可能产生的危害程度,分析研究了目前国内外飞机结冰探测技术的现状和发展趋势,总结了各种防除冰措施在飞机上的应用和技术特点,并以波音777飞机防除冰系统设计为例,说明典型飞机结构防除冰系统设计的特点和功能。