電加熱過程的冰脊形成實驗研究

肖春華,桂業偉,杜雁霞,李德祥

(1.空氣動力學國家重點實驗室,四川綿陽 621000;2.中國空氣動力研究與發展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

飛機結冰包括兩種情況,一種是前緣結冰[1],另一種是冰脊[2]。冰脊形成是加熱融冰和防冰過程中可能發生的的重要現象。融化的和未凍結的液態水,一部分受熱蒸發,另一部分往下游溢流到冰防護區外凍結形成冰脊。前緣結冰可以采用熱力或機械的方法除去,但冰脊產生于防護區外,難以預測、控制和消除,危害比前緣結冰更嚴重。1994年美國AT R-72飛機由于冰脊的產生造成機毀人亡的飛行事故,從而引起研究人員對冰脊問題的重視,掀起了研究熱潮[3-4]。大多數研究限于假定冰脊外形、大小及位置對氣動特性的影響研究[5],對于冰脊的形成機理鮮有報道。因此,冰脊形成機理的研究對于深入認識結冰機理和防除冰技術的發展都具有重大意義,也是目前國際上的一個難題。

形成冰脊的情況有兩種：一是大尺度的過冷水滴撞擊到飛機機翼前緣表面,未凍結的液態水往下溢流到防護區外凍結而成;二是開啟熱防/除冰裝置后,未凍結的和融化的液態水往下溢流到防護區外凍結而成。兩者的共同特征是液態水在氣動力作用下沿蒙皮表面往下的溢流和凍結,這是冰脊形成的前提。Morency等人[6]對表面溢流的不同形態和傳熱特性進行了研究,但未考慮溢流過程的二次結冰、傳熱對冰脊形成的影響。筆者采用自行設計的電加熱裝置,在小型結冰風洞中,對電加熱條件下液態水在結冰環境中的溢流、凍結形成冰脊的過程和規律進行了研究,以期揭示電加熱過程中冰脊的形成特征。

1 實驗設備和裝置

實驗在0.3m×0.2m小型結冰風洞中進行,風洞主實驗段尺寸為0.3m×0.2m×0.65m(寬×高×長),設計風速60m/s,圖1是主實驗段照片。

圖1 結冰風洞主實驗段照片Fig.1 The main test section photograph of icing wind tunnel

實驗模型由硬鋁板、帶槽的實木板和加熱單元組成(見圖2)。其中,最上面是硬鋁板,最下面是實木板,中間槽內安裝加熱單元,共同組成電加熱實驗模型。

圖2 實驗模型結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of test model

圖3是實驗模型裝配圖,箭頭為來流方向。圖4是溢流發生裝置示意圖,由液滴瓶、輸液管和保溫材料構成。保溫材料主要是防止液態水在實驗段內輸送時發生凍結而堵塞輸液管。

圖3 實驗模型裝配圖Fig.3 The assembly diagram of test model

圖4 溢流發生裝置示意圖Fig.4 The schematic of runback water device

2 實驗方法和步驟

2.1 實驗目的

研究不同來流速度、加熱功率和結冰環境溫度下,液態水在電加熱過程中的溢流、凍結特性和冰脊的形成規律,掌握冰防護區、冰脊長度隨來流速度、加熱功率和結冰環境溫度的變化規律,觀察冰脊的產生過程、測量冰脊的形態,并分析電加熱過程中的液態水往后溢流到冰防護區外形成冰脊的機理。

2.2 實驗方法

該研究以結冰風洞為實驗平臺,利用電加熱實驗模型模擬飛機蒙皮表面及其電熱防除冰裝置,模型表面溫度通過溫控回路控制,溢流水由溢流發生裝置供應,實驗對冰脊的長度、寬度、截面形狀等參數進行測繪,研究冰脊長度隨來流速度、結冰環境溫度和加熱功率的變化規律,研究和分析結冰氣象條件下冰防護區外冰脊的產生機理。

電加熱實驗模型由硬鋁板、實木板、加熱單元和耐火泥組成。絕緣層采用熱阻較大的光滑實木板,以減小向內的熱損失,增大熱量向模型外表面的傳遞。加熱單元置入實木板槽內,各部件之間用粘合劑粘牢以減小接觸熱阻。模型的加熱回路由加熱單元、導線和調壓電源構成,通過調節電源電壓實現加熱功率的控制。溫控回路由溫度傳感器、繼電器及溫度顯示器構成,通過繼電器的開關實現模型表面溫度的相對恒定并起到過熱保護作用。溫度傳感器采用熱電偶溫度計。加熱單元采用電阻絲纏繞云母板、不銹鋼外殼密封,導線從風洞實驗段后部的調壓縫引出并進行絕緣防水處理,以確保實驗安全。

實驗采用液滴瓶、輸液管和保溫材料構成溢流發生裝置,將液滴瓶及支架置于實驗段外,通過輸液管將水輸送至溢流孔處,并通過調節輸液管上的輸液閥來控制液滴流率。為保證出流壓力和液滴的均勻性,可在輸液管上增加輸液泵予以控制和調節。

3 實驗結果和分析

為了研究來流速度、結冰環境溫度、加熱功率等條件對溢流特性和冰脊形成的影響,開啟結冰風洞制冷系統和電加熱裝置,保持冰防護區表面溫度恒定(如4℃左右)及其它條件相同,改變所需研究的條件,記錄對應的冰防護區和冰脊長度。調節所需參數重復進行實驗,記錄不同工況下的冰防護區長度、冰脊長度及截面形態,溢流時間均為8min。

3.1 來流速度的影響

來流速度的不同,將導致模型外表面的壓力分布也不同,推動液態水往后溢流的氣動剪切力也不同,從而使冰脊的形成速度和長度也不同。

圖5和6分別顯示了冰防護區長度、冰脊長度隨來流速度的變化。實驗采用環境溫度-5℃,電壓分別為50、100和200V,來流風速為30、40和50m/s。由圖可知：采用電壓50V時,不管來流速度是30、40還是50m/s,冰防護區長度均為零,從溢流水出口到平板尾部,溢流行程方向上完全凍結,說明此加熱功率下的防冰失效,實驗監測的冰防護區表面溫度也低于凍結點。因為一方面平板壁面吸收加熱單元提供的熱量,另一方面又和外部流場發生強烈的對流換熱,當加熱功率太小時,單位時間傳遞到壁面的熱量少于被空氣帶走的熱量,所以冰防護區的壁面溫度不斷降低,直至低于0℃,液態水來不及溢流出冰防護區就發生凍結,形成嚴重的冰脊。保持相同的加熱功率,冰防護區長度隨來流速度的增加而增長。

圖7顯示了不同來流速度下典型工況的冰脊初始位置和走向分布,從圖上可以清晰地看到冰脊產生的起始位置和走向。由圖可知,來流速度越大,外部氣動力作用在溢流水表面的剪切力就越大,溢流水形成的溪線就越直、越細,因此形成的冰脊也就越細且直,冰脊的起始位置也越往下游推后。

圖5 不同來流速度的冰防護區長度Fig.5 Length of ice protection vs velocity

圖6 冰脊長度隨來流速度的變化Fig.6 Length of ice ridge vs velocity

圖7 不同來流速度下冰脊的初始位置和走向(t=5℃,U=200V)Fig.7 Initial location and direction of ice ridge under different velocities

3.2 結冰環境溫度的影響

結冰環境溫度的不同,將極大的影響模型表面的液態水凍結速率,進而影響溢流特征和冰脊的形成。

圖8顯示了冰防護區和冰脊長度隨環境溫度的變化。實驗采用來流速度30m/s,環境溫度分別是-5℃、-8℃、-10℃,電壓200V 。由圖可知,保持其它條件相同,冰防護區長度隨環境溫度的降低而減小,冰脊長度則隨環境溫度的降低而增加。這是由于環境溫度越低,溢流水和外流場的溫差就越大,對流換熱就越強烈,溢流水外邊界的凍結速度也就越快。冰防護區外的壁面溫度與環境溫度接近,環境溫度越低,溢流水內邊界的凍結速度也就越快。因此,環境溫度越低就使得冰脊的形成速度越快,往冰防護區內的發展速度也越快。

圖8 冰防護區和冰脊長度隨環境溫度的變化Fig.8 Length of ice protection and ice ridge vs temperature

圖9反映了不同環境溫度下典型工況的冰脊初始位置和走向分布。由圖可知,環境溫度越低,液態水往后溢流時發生凍結的速度越快,冰脊形成的初始位置越靠近冰防護區,也容易在靠近冰防護區的表面形成較大的冰脊(見圖9中t=-10℃的工況)。

3.3 加熱功率的影響

加熱功率不同,單位時間為模型表面提供的能量就不同,這將影響溢流水在模型表面的凍結速率,從而影響冰脊的形成。

圖10和11分別顯示了冰防護區長度、冰脊長度隨加熱功率的變化。實驗采用環境溫度-5℃,來流速度分別是 30、40和 50m/s,電壓是 50、100和200V。由圖可知：保持相同的來流速度,冰防護區長度隨加熱功率的增大而增加,而冰脊長度則隨加熱功率的增大而減小,相應的冰脊形成的起始位置也越遠離防護區。如果加熱功率太小,則熱量傳遞到模型表面的速度太慢,會導致壁面吸收的熱量低于對流換熱帶走的熱量,使得壁面溫度不斷下降,直至低于凍結點,在冰防護區表面產生冰脊,從而導致防冰失效。

圖12反映了不同加熱功率下典型工況的冰脊初始位置和走向分布。由圖可知,加熱功率較小時(50V),液態水容易在冰防護區發生凍結,導致防冰失效。加熱功率越大,壁面吸收的熱量就越多,溢流水越容易保持液態,所以,冰脊形成的初始位置就越往下游推后。

圖9 不同環境溫度下典型工況的冰脊初始位置和走向(v=30m/s,U=200V)Fig.9 Initial location and direction of ice ridge under different ambient temperatures

圖10 冰防護區長度隨加熱功率的變化Fig.10 Length of ice protection vs heater power

圖11 冰脊長度隨加熱功率的變化Fig.11 Length of ice ridge vs heater power

圖12 不同加熱功率下冰脊的初始位置和走向(v=50m/s,t=-5℃)Fig.12 Initial location and direction of ice ridge under different heater power

4 結 論

筆者采用實驗的方法,研究了不同來流條件下電加熱對冰脊形成的影響,對冰脊形成機理進行了分析,主要結論如下：

(1)隨著來流速度、加熱功率的增加,冰防護區長度增加,冰脊長度往下游推后,反之,冰脊往上游靠近;

(2)環境溫度越低,溢流水溫度下降越快,形成冰脊的速度也越快,隨著環境溫度的降低,冰防護區長度減小,冰脊往上游靠近;

(3)如果加熱功率無法保持冰防護區表面溫度高于凍結溫度,冰防護區表面將產生凍結,導致防冰失效;

(4)冰脊的縱向生長規律是從冰防護區外下游某位置開始,逐步往冰防護區內發展,最先產生冰脊的位置和壁面粗糙度、壁面溫度、表面張力、環境溫度和溢流水運動速度有關。

[1] KIND R J,POTAPCZUK M G,FEO A,et al.Experimental and computational simulation of in-flight icing phenomena[J].Progress in Aerospace Sciences,1998,34：275-345.

[2] BRAGG M B,BROEREN A P,BLUM ENTHAL L A.Iced-airfoil aerodynamics[J].Progress in Aerospace Sciences,2005.

[3] GUY Fortin,ADRIAN Ilinca,JEAN-Louis Laforte,et al.Prediction of 2D airfoil ice accretion by bisection method and by rivulets and beads modeling[R].AIAA-2003-1076,2003.

[4] TAN SC,PAPADAKIS M.Simulation of SLD impingement on a high-lift airfoil[R].AIAA-2006-463,2006.

[5] LEE S,BRAGG M B.The effect of ridge-ice location and the role of airfoil geometry[R].AIAA-2001-2481,2001.

[6] MORENCY F,TEZOK F,PARASCHIVOIU I.Heat and mass transfer in the case of an anti-icing system modelisation[R].AIAA-1999-0623,1999.