槽道強化換熱在飛機機翼熱氣防冰系統中的應用

歸曉燁

【摘 要】利用計算槽道內部強制對流換熱的Gnielinski公式對機翼防冰系統槽道的對流換熱系數進行了計算，分析了槽道截面長度和寬度變化對對流換熱系數的影響。根據計算結果分析發現局部增大或減小槽道截面長度對對流換熱系數的影響較小，而局部增大或減小槽道截面的寬度對對流換熱系數的影響較大。在機翼防冰系統槽道設計過程中更要注重槽道截面寬度方向的設計，來提升機翼防冰系統的換熱效率。

【關鍵詞】槽道；對流換熱系數；強化換熱；機翼防冰系統

【Abstract】With tunnel inner flow Heat Transfer Coefficient（HTC） calculation Gnielinski formula，the HTC of Wing Anti-Ice System（WAIS）slot is calculated.The influence of length and width of slot cross section to HTC is analyzed. Based on the calculation results， it has been found that the influence of slot cross section length to HTC is minor，and the influence of slot cross section width to HTC is major.The slot cross section width is the key parameter for WAIS design，to improve the heat exchange efficiency.

【Key words】Slot；Heat Transfer Coefficient（HTC）；Enhanced heat transfer；Wing Anti-Ice System（WAIS）

0 前言

為了保證飛機能在結冰條件下的飛行安全，通常會設計防冰系統在影響飛機氣動特性的迎風結冰區進行加熱，防止飛機上形成危險量的積冰[1]。防冰系統一般采用熱防冰系統，主要分為熱氣防冰系統和電加熱防冰系統。熱氣防冰系統由于組成簡單，使用可靠等特點應用較為廣泛。考慮到飛機飛行的經濟性，如何提高熱氣防冰系統的效率一直都是系統設計的主要研究方向。經過多年的發展，利用笛形管進行防冰系統內部的流量分配和局部強化換熱已經成為熱氣防冰系統的標準設計。但笛形管系統強化換熱的區域有限，如何在較長防護表面形成較大面積的強化效果十分值得研究。本文針對機翼防冰系統的結構特點，通過對流換熱系數的變化分析槽道的強化換熱效果。

1 槽道內強制對流傳熱計算方法

槽道流動中，換熱壁面上邊界層的發展受到流道壁面的限制，其換熱規律與外部流動有明顯的區別。當流體從大空間進入槽道內部時，流動邊界層有一個從零開始增長直到匯合于槽道中心線的過程。類似的，當流體與槽道壁面之間有熱交換時，槽道壁面上的熱邊界層也有個從零開始增長直到匯合于槽道中心線的過程。當流動邊界層和熱邊界層都匯合到中心線后，流動和換熱都進入充分發展階段，此后的換熱強度保持不變。從進口到充分發展段之間的區域稱為入口段。一般當槽道長度與當量直徑之比大于60時，傳熱系數就不受入口段的影響。而工程上常常利用入口段換熱效果好這一特點來強化換熱[2]。

對于常規流體，槽道內強制對流換熱計算有多個經驗公式，如Dittus-BoeLter公式、Gnielinski公式等。Dittus-BoeLter公式在歷史上曾經得到廣泛的應用，由于其形式簡單目前仍在工程上應用。而Gnielinski公式是迄今為止計算準確度最高的公式。在所依據的800多個實驗數據中，90%數據與公式計算值的最大偏差在±20%以內，大部分都在±10%以內。本文計算主要采用Gnielinski公式，見式（1）和式（2）。

其中，l為槽道長度；f為槽道內部流動的Darcy阻力系數，按Filonenko公式計算，見式（3）。

2 機翼防冰系統內槽道設計

機翼防冰系統結合縫翼內部結構部件的設計形成熱氣通道。縫翼上表面是飛機吸力峰所在，而且長度相對較長，防冰效果對飛機升力影響較大。除了幾何前緣笛形管小孔的射流對局部加強換熱外，需要在中后部較長部段進行強化換熱的設計。而槽道流動剛好可以滿足這一需求。機翼防冰系統的槽道設計一般如圖1所示。通過急劇減小流動面積來增加流速，提高槽道內部的換熱系數，達到強化換熱的目的。

3 槽道強化換熱的計算分析

槽道入口截面的長（a）、寬（b），槽道之間的間隔（i）以及槽道的長度（l）對換熱的效果都有影響。可通過對給定笛形管變換槽道的參數來計算槽道的對流換熱系數。假設笛形管小孔直徑為2mm，出口流速為400m/s，孔間距為40mm。槽道入口熱氣溫度為50°C，防護表面溫度為10°C。

給定槽道截面寬度（b）為1.27mm，槽道長度（l）為30mm不變，通過改變槽道截面長度（a）利用Gnielinski公式來計算槽道的對流換熱系數，如圖2所示。

給定槽道截面寬度（a）為20mm，槽道長度（l）為30mm不變，通過改變槽道截面長度（b）利用Gnielinski公式來計算槽道的對流換熱系數，如圖3所示。

通過對圖2和圖3數據的分析可以發現，槽道對對流換熱系數的增加有明顯效果，但局部增大或減小槽道截面長度對對流換熱系數的影響較小，而局部增大或減小槽道截面的寬度對對流換熱系數的影響較大。因此，在機翼防冰系統槽道設計過程中要更加注重槽道截面寬度的設計權衡計算。

4 結論

縫翼內防冰腔后部的槽道設計能有效增大防護表面的對流換熱系數，起到強化換熱的作用。局部增大或減小槽道截面長度對對流換熱系數的影響較小，而局部增大或減小槽道截面的寬度對對流換熱系數的影響較大。在機翼防冰系統槽道設計過程中要注重槽道截面寬度方向的設計優化。

【參考文獻】

[1]裘燮綱，韓鳳華.飛機防冰系統[M].北京：航空專業教材編審組，1985.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2015.

[責任編輯：田吉捷]