第1章 飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象及機(jī)理…………………………………………………………………… 1
1．1 飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象…………………………………………………………………………… 1
1．1．1 基本概念…………………………………………………………………………… 1
1．1．2 結(jié)冰種類…………………………………………………………………………… 2
1．1．3 結(jié)冰部位…………………………………………………………………………… 4
1．1．4 結(jié)冰強(qiáng)度…………………………………………………………………………… 5
1．2 飛機(jī)結(jié)冰氣象條件……………………………………………………………………… 6
1．2．1 云的種類狀態(tài)……………………………………………………………………… 6
1．2．2 云中的過(guò)冷水滴…………………………………………………………………… 8
1．2．3 水滴粒徑分布……………………………………………………………………… 9
1．3 影響飛機(jī)結(jié)冰的物理因素……………………………………………………………… 10
1．3．1 水滴直徑…………………………………………………………………………… 10
1．3．2 液態(tài)水含量………………………………………………………………………… 11
1．3．3 空氣溫度…………………………………………………………………………… 11
1．3．4 飛行高度…………………………………………………………………………… 12
1．3．5 云層的水平距離…………………………………………………………………… 12
1．3．6 地形因素…………………………………………………………………………… 12
1．3．7 季節(jié)因素…………………………………………………………………………… 12
1．3．8 與飛機(jī)有關(guān)的因素………………………………………………………………… 12
1．4 飛機(jī)結(jié)冰設(shè)計(jì)規(guī)范……………………………………………………………………… 14
1．4．1 結(jié)冰氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)…………………………………………………………… 14
1．4．2 傳統(tǒng)結(jié)冰氣象設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)…………………………………………………………… 14
1．4．3 新增結(jié)冰氣象設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)…………………………………………………………… 20
1．5 結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響………………………………………………………………… 25
1．5．1 升力面結(jié)冰………………………………………………………………………… 25
1．5．2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰………………………………………………………………………… 27
1．5．3 其他部位結(jié)冰……………………………………………………………………… 28
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 28
第2章 飛機(jī)防(除)冰方法…………………………………………………………………… 30
2．1 熱防冰系統(tǒng)……………………………………………………………………………… 30
2．1．1 概 述……………………………………………………………………………… 30
2．1．2 熱氣防冰系統(tǒng)……………………………………………………………………… 32
2．1．3 電熱防(除)冰系統(tǒng)………………………………………………………………… 35
2．2 液體防冰系統(tǒng)…………………………………………………………………………… 37
2．2．1 液體防冰原理……………………………………………………………………… 37
2．2．2 防冰液的選擇……………………………………………………………………… 37
2．2．3 防冰液的分配方法………………………………………………………………… 38
2．3 機(jī)械除冰系統(tǒng)…………………………………………………………………………… 40
2．3．1 膨脹管除冰………………………………………………………………………… 40
2．3．2 電脈沖除冰系統(tǒng)…………………………………………………………………… 41
2．4 防(除)冰新方法………………………………………………………………………… 44
2．4．1 記憶合金除冰……………………………………………………………………… 44
2．4．2 疏水材料防冰……………………………………………………………………… 45
2．5 典型飛機(jī)的防(除)冰系統(tǒng)……………………………………………………………… 45
2．5．1 波音787飛機(jī)的防冰系統(tǒng)………………………………………………………… 45
2．5．2 ARJ21飛機(jī)的防冰系統(tǒng)………………………………………………………… 46
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 47
第3章 水滴撞擊特性………………………………………………………………………… 48
3．1 基本概念………………………………………………………………………………… 48
3．1．1 水滴撞擊極限……………………………………………………………………… 49
3．1．2 總收集系數(shù)………………………………………………………………………… 49
3．1．3 局部水收集系數(shù)…………………………………………………………………… 50
3．1．4 水滴遮蔽區(qū)………………………………………………………………………… 51
3．1．5 水滴撞擊特性計(jì)算方法…………………………………………………………… 51
3．2 空氣流場(chǎng)計(jì)算…………………………………………………………………………… 52
3．2．1 質(zhì)量守恒方程……………………………………………………………………… 53
3．2．2 動(dòng)量守恒方程……………………………………………………………………… 53
3．2．3 能量守恒方程……………………………………………………………………… 55
3．3 拉格朗日法計(jì)算水滴撞擊特性………………………………………………………… 56
3．3．1 水滴運(yùn)動(dòng)軌跡方程………………………………………………………………… 56
3．3．2 運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值求解……………………………………………………………… 58
3．3．3 拉格朗日法計(jì)算局部水收集系數(shù)………………………………………………… 62
3．4 歐拉法計(jì)算水滴撞擊特性……………………………………………………………… 63
3．4．1 概念引入…………………………………………………………………………… 63
3．4．2 歐拉法計(jì)算模型…………………………………………………………………… 63
3．4．3 數(shù)值求解及實(shí)現(xiàn)方法……………………………………………………………… 65
3．4．4 歐拉法計(jì)算局部水收集系數(shù)……………………………………………………… 67
3．5 水滴撞擊特性影響參數(shù)………………………………………………………………… 67
3．5．1 飛行速度的影響…………………………………………………………………… 68
3．5．2 水滴直徑結(jié)果分析………………………………………………………………… 68
3．5．3 幾何形狀的影響…………………………………………………………………… 69
3．6 過(guò)冷大水滴撞擊特性…………………………………………………………………… 70
3．6．1 過(guò)冷大水滴動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象…………………………………………………………… 70
3．6．2 過(guò)冷大水滴運(yùn)動(dòng)模型……………………………………………………………… 71
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 74
第4章 飛機(jī)結(jié)冰過(guò)程分析…………………………………………………………………… 76
4．1 基本概念………………………………………………………………………………… 76
4．1．1 結(jié)冰過(guò)程數(shù)值分析步驟…………………………………………………………… 76
4．1．2 結(jié)冰熱力學(xué)分析…………………………………………………………………… 77
4．2 空氣流場(chǎng)與水滴撞擊特性計(jì)算………………………………………………………… 77
4．3 結(jié)冰熱力學(xué)分析………………………………………………………………………… 77
4．3．1 控制容積的質(zhì)量守恒……………………………………………………………… 78
4．3．2 控制容積的能量守恒……………………………………………………………… 80
4．3．3 結(jié)冰系數(shù)f 的求解……………………………………………………………… 83
4．3．4 冰形計(jì)算…………………………………………………………………………… 84
4．4 結(jié)冰過(guò)程對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算………………………………………………………… 86
4．4．1 表面粗糙度的計(jì)算………………………………………………………………… 86
4．4．2 粗糙壁面附面層積分法…………………………………………………………… 87
4．4．3 CFD方法………………………………………………………………………… 89
4．5 飛機(jī)結(jié)冰過(guò)程影響因素分析………………………………………………………… 100
4．5．1 環(huán)境溫度對(duì)結(jié)冰的影響………………………………………………………… 100
4．5．2 平均容積直徑(MVD)對(duì)結(jié)冰的影響…………………………………………… 103
4．5．3 結(jié)冰時(shí)間的影響………………………………………………………………… 103
4．5．4 液態(tài)水含量(LWC)對(duì)結(jié)冰的影響……………………………………………… 103
4．6 現(xiàn)行結(jié)冰計(jì)算軟件介紹……………………………………………………………… 105
4．6．1 LEWICE ………………………………………………………………………… 105
4．6．2 FENSAPＧICE …………………………………………………………………… 106
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 107
第5章 熱氣防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)及熱力分析……………………………………………………… 109
5．1 防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)酷狀態(tài)點(diǎn)及防護(hù)區(qū)域的確定……………………………………… 109
5．1．1 嚴(yán)酷狀態(tài)點(diǎn)的確定……………………………………………………………… 109
5．1．2 防護(hù)區(qū)域的確定………………………………………………………………… 110
5．2 防冰熱載荷…………………………………………………………………………… 110
5．2．1 防冰熱載荷計(jì)算………………………………………………………………… 111
5．2．2 溢流水…………………………………………………………………………… 113
5．3 防冰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算……………………………………………………………… 115
5．3．1 附面層的概念…………………………………………………………………… 115
5．3．2 對(duì)流換熱系數(shù)求解方法………………………………………………………… 116
5．4 供氣管路的計(jì)算……………………………………………………………………… 118
5．4．1 供氣管路的溫降計(jì)算…………………………………………………………… 119
5．4．2 供氣管路的壓降計(jì)算…………………………………………………………… 120
5．4．3 笛形管熱氣噴口流量及噴口壓力損失計(jì)算…………………………………… 123
5．5 防冰腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱效率計(jì)算……………………………………………………… 126
5．5．1 防冰腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 126
5．5．2 防冰腔內(nèi)熱氣流動(dòng)與換熱模擬………………………………………………… 126
5．6 熱氣防冰腔內(nèi)外耦合傳熱計(jì)算……………………………………………………… 127
5．7 典型參數(shù)對(duì)表面溫度的影響………………………………………………………… 130
5．7．1 表面溫度和溢流水結(jié)果總體分析……………………………………………… 130
5．7．2 水滴直徑的影響………………………………………………………………… 131
5．7．3 液態(tài)水含量的影響……………………………………………………………… 132
5．7．4 環(huán)境溫度的影響………………………………………………………………… 134
5．7．5 攻角的影響……………………………………………………………………… 135
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 137
第6章 直升機(jī)結(jié)冰與防冰…………………………………………………………………… 139
6．1 直升機(jī)結(jié)冰…………………………………………………………………………… 139
6．1．1 直升機(jī)結(jié)冰的危害……………………………………………………………… 139
6．1．2 直升機(jī)結(jié)冰的特點(diǎn)……………………………………………………………… 140
6．2 直升機(jī)防(除)冰系統(tǒng)………………………………………………………………… 142
6．2．1 液體防冰系統(tǒng)…………………………………………………………………… 142
6．2．2 電熱除冰系統(tǒng)…………………………………………………………………… 142
6．3 直升機(jī)電熱除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 144
6．3．1 設(shè)計(jì)狀態(tài)的確定………………………………………………………………… 144
6．3．2 除冰防護(hù)區(qū)的確定……………………………………………………………… 145
6．3．3 加熱片的分區(qū)方式……………………………………………………………… 146
6．3．4 加熱功率及除冰控制規(guī)律設(shè)計(jì)………………………………………………… 148
6．3．5 黑鷹直升機(jī)除冰系統(tǒng)…………………………………………………………… 149
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 151
第7章 飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)………………………………………………………………………… 152
7．1 飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的基本概念……………………………………………………… 152
7．1．1 冰和結(jié)冰條件探測(cè)……………………………………………………………… 152
7．1．2 結(jié)冰系數(shù)的考慮………………………………………………………………… 154
7．1．3 水滴飛濺、溢流和脫落的考慮…………………………………………………… 154
7．1．4 安裝位置的考慮………………………………………………………………… 154
7．1．5 其他考慮因素…………………………………………………………………… 155
7．1．6 結(jié)冰探測(cè)器指示方法…………………………………………………………… 156
7．2 常用結(jié)冰探測(cè)器……………………………………………………………………… 156
7．2．1 常用結(jié)冰方法簡(jiǎn)介……………………………………………………………… 156
7．2．2 諧振結(jié)冰探測(cè)器………………………………………………………………… 157
7．2．3 光學(xué)法結(jié)冰探測(cè)器……………………………………………………………… 160
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 163
第8章 飛機(jī)結(jié)冰與防(除)冰試驗(yàn)…………………………………………………………… 164
8．1 概 述………………………………………………………………………………… 164
8．2 結(jié)冰與防冰試驗(yàn)方法………………………………………………………………… 165
8．2．1 冰風(fēng)洞試驗(yàn)……………………………………………………………………… 165
8．2．2 干空氣飛行試驗(yàn)………………………………………………………………… 165
8．2．3 模擬結(jié)冰飛行試驗(yàn)……………………………………………………………… 166
8．2．4 自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)……………………………………………………………… 167
8．2．5 其他地面模擬試驗(yàn)……………………………………………………………… 169
8．3 冰風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)……………………………………………………………………… 170
8．3．1 常規(guī)風(fēng)洞………………………………………………………………………… 170
8．3．2 冰風(fēng)洞…………………………………………………………………………… 172
8．3．3 參數(shù)測(cè)量………………………………………………………………………… 175
8．4 相似準(zhǔn)則……………………………………………………………………………… 182
8．4．1 流場(chǎng)相似………………………………………………………………………… 183
8．4．2 水滴運(yùn)動(dòng)軌跡相似……………………………………………………………… 183
8．4．3 表面水收集量相似……………………………………………………………… 186
8．4．4 結(jié)冰表面熱力學(xué)相似…………………………………………………………… 187
8．4．5 相似方法………………………………………………………………………… 188
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 191
第9章 飛機(jī)透明表面防冰、防霧…………………………………………………………… 193
9．1 風(fēng)擋防冰……………………………………………………………………………… 193
9．1．1 電熱防冰………………………………………………………………………… 193
9．1．2 熱氣防冰………………………………………………………………………… 196
9．1．3 液體防冰………………………………………………………………………… 198
9．1．4 小 結(jié)…………………………………………………………………………… 198
9．2 風(fēng)擋防冰熱載荷及其影響因素……………………………………………………… 199
9．2．1 水收集系數(shù)與防冰載荷計(jì)算…………………………………………………… 199
9．2．2 風(fēng)擋防冰熱載荷的影響因素…………………………………………………… 200
9．3 透明表面防霧………………………………………………………………………… 201
9．3．1 物化法防霧……………………………………………………………………… 202
9．3．2 加熱法防霧……………………………………………………………………… 202
9．4 波音787型飛機(jī)的風(fēng)擋防冰、防霧系統(tǒng)……………………………………………… 203
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 205
附錄A 流體外掠平板對(duì)流換熱附面層積分方程求解……………………………………… 206
附錄B 劉易斯冰風(fēng)洞………………………………………………………………………… 209
附錄C 飽和水蒸氣、干空氣物性及常用材料物性參數(shù)表……………………………………… 211
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