（热能工程专业论文）利用液晶瞬态技术测量离散缝气膜加热效率及换热系数.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 叉排离散缝槽结构作为防冰表面结构而应用于飞机防冰上。而在众多防冰 措施方面，热气防冰在现代飞机上应用得很广泛。通常采用的防除冰热气来源于 经过发动机压气机进行了压缩的高温气体，通过特定的防冰结构输送到需要进行 防除冰的表面。叉排离散缝就是这种结构之。热气可以通过离散缝隙喷射到防 除冰表面，形成热气膜对表面进行加热，使表面温度高于o 。c ，防止结冰。为此， 叉排离散缝槽结构的流量系数、气膜加热效率以及换热系数的分布规律是主要研 究之对象。 该叉排离散缝槽结构应用于发动机进气道的导流叶片上。缝隙沿叶高方向 叉排排列，距离叶片前缘分别为l o 嘞和1 5 2 m m ，缝隙长1 3 r a m ，短边为半圆型边， 半径为0 7 舢，缝隙中心线与叶片表面成4 5 。角。根据实际的几何尺寸，对模型 进行简化。如导流叶片的弦向曲率很小，可以简化成带离散缝隙的平板进行研究。 另外根据相似原理中的几何相似，对模型按1 ：2 比例进行放大。缝隙距离平板前 缘分别为2 0 r a m 和3 0 4 m m ，缝隙长2 6 r a m ，半圆型短边半径为1 4 m m 。设计九个工 况，分别为三个主流速度v ( 主流雷诺数) 、三个吹风比b r 进行实验。由于不考 虑主流以及射流的密度变化，所以吹风比简化为射流的速度与主流速度之比，即 速比。 实验中首次采用了液晶瞬态测量技术，这一国内外较先进的温度场测量技 术。这是与以往所有传热测量中采用热电偶进行稳态测量有所不同的地方。液晶 能够测量温度是利用了液晶的热色效应，即在一定温度范围内，颜色的变化与温 度存在一一对应的关系。实验中具体研究如何应用该测量方法进行测量，获取实 验结果。 根据具体的实验条件以及实验装置的限制，设计出合适的测量方法。由于 瞬态测量要求实验在很短的时间内完成，获取实时的温度场等实验信息，所以主 流的温度变化显得很重要。以往液晶瞬态测量中对于有射流的情况，往往采取保 持主流温度阶跃的条件下进行测量，这样使得测量量变得简单，处理容易。但是 要保持主流阶跃往往要设计特殊的实验装置帮助实现这一特定的条件。在实验装 置及设备受到限制的条件下，考虑到主流温度不是阶跃情况下，提出主流及射流 温度均随时间变化的测量关系式。这样使得测量量以及处理较为复杂，但实验装 置简单町行。 i 西北工业大学硕士学位论文 樯尊 。2 2 2 2 。2 2 。2 5 。2 。_ e = i - 自! _ e = _ = 一自! ；= 除实验测量研究外还辅以数值模拟，对实验结果进行参照，得到基本一致 的结果。表明液晶瞬态测量技术的正确可行。 在应用液晶瞬态测量技术对带叉排离散缝隙平板的加热效率和换热系数分 布规律的研究得出以下结论： 流量系数 ( 1 ) 在较低的主流速度时，流量系数随吹风比的增大一直处于明显的增大趋 势；当主流速度较高时，在吹风比不高时，流量系数随吹风比增大而明显增大， 在高吹风比的时候，流量系数随吹风比增大而增大的趋势很缓慢，以至于有保持 恒定不变的趋势。 ( 2 ) 较高的主流速度有整体较高的流量系数，但在流量系数的最大值上差别 不大。 加热效率 ( 1 ) 沿流动方向平均加热效率的变化分为绕流区和覆盖区。在绕流区，平均 效率随着距离x d 的增大而增大，有上升趋势；在覆盖区，则随着距离x d 的增 大而下降。在一定的主流速度下，吹风比越大，绕流区越长。当主流速度比较高 时，在覆盖区，平均效率随x d 增大而下降的趋势较为平缓。 ( 2 ) 在一定的吹风比下，在覆盖区，主流速度高的其平均效率整体较高。 ( 3 ) 加热效率沿纵向呈起伏分布。缝隙中心区域较高，相邻两缝隙之间区域 效率较低，说明效率在该方向上分布是不均匀的。 换热系数 ( 1 ) 平均换热系数沿流动方向呈逐渐下降趋势。在一定主流速度下，吹风比 较大的，其平均换热系数整体较高。对于同一吹风比下，主流速度较高的其平均 换热系数也整体较高。 ( 2 ) 换热系数在纵向上的分布也是不均匀的，呈起伏分布。缝隙中心区域换 热系数较低，相邻两缝隙之间区域较高。且距离缝隙口越近，起伏分布的趋势越 明显，当距离缝隙越远，换热系数起伏的趋势越平缓。 关键词：防冰，离散缝，液晶，传热，瞬态测量 i i 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t r u c t u r eo fd i s o r d e rd i s c r e t es l o t sh a v eb e e na p p l i e dt oa n t i - i c i n gs y s t e mo f a i r c r a f t a m o u n to fa l la n t i - i c i n gm e t h o d s ，h o ta i ra n t i i c i n gs y s t e mh a sb e e nw i d e y a p p l i e dt ot h em o d e r na i r c r a f t t h eh o ta i rs o u r c ec a n l ef r o mt h ec o m p r e s s o rw i l lb e s e n tt ot h ea n t i - i c i n gs t h f a c et h r o u g ht h ea n t i - i c i n gs t r u c t u r e s ，o n eo ft h e s es t r u c t u r e s i st h ed i s o r d e rd i s c r e t es l o t s t h eh o ta i rs o u r c ew i l li n j e c tt ot h es u r f a c et h r o u g ht h e d i s c r e t es l o t sa n df o r ma nh o ta i rf i l mt oh e a tt h es u r f a c e ，s ot h a tt h et e m p e r a t u r eo f s u r f a c ew i l lb ea b o v ez e r oa n dp r e v e n tt h eu p w i n ds u r f a c eo fa i r c r a f ta c e r e t i n gi c e t h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n t ，f i l mh e a t e de f f e c t i v e n e s sa n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f t h e d i s c r e t es l o t sw i l lb es t u d yi nt h i sp a p e r t h es t r n e t u r eo fd i s o r d e rd i s c r e t es l o t sw i l lb ea p p l i e dt ot h eg u i d ev a n eo ft h e e n g i n ep r a c t i c a l l y t h el e n g t hf r o mt h el e a d i n ge d g eo ft h eg u i d ev a n et ot h es l o t sa r e 1 0 m ma n d1 5 2 m m t h el e n g t ho f t h es l o ti s1 3 m ma n dt h es h o r te d g ei sas e m i c i r c l e ， t h ed i a m e t e ri s0 7 m m a l lo ft h es l o t si n c l i n e4 5 。t ot h es u r f a c e t h em o d e lw a s c o n f i g u r e di ns i m i l a rc o n d i t i o na c c o r d i n g1 ：2s c a l e a n dn i n ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n w e r ec o n d u c t e di n c l u d i n gt h r e ev e l o c i t i e so ft h em a i n s t r e a ma n dt h i n eb l o wr a t i o w h e nt h ed e n s i t i e sv a r i e t yo f t h em a i n s t r e a ma n di n j e c t i o ni sn e g a t i v e ，t h eb l o wr a t i o j u s tt h ev e l o c i t yr a t i o c o m p a r e d 诚t l lt h es t e a d yh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n tw i t ht h et h e r m o c o u p l ei nt h e p a s st i m e ，an e wt e c h n i q u ew a su s e di nt h i se x p e r i m e n tt h ef i r s tt i m e ，i ti st h et r a n s i e n t l i q u i dc r y s t a lt e c h n i q u e b e c a u s et h e c o l o rc h a n g eo ft h el i q u i d c r y s t a lh a sa c o r r e l a t i o nw i mt h et e m p e r a t u r ec h a n g e s ow eu s et h i sc h a r a c t e r i s t i ct om e a s u r et h e d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r eo nt h em o d e ls u r f a c e a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n d i t i o ni nt h i se x p e r i m e n t ，an e w c o n d i t i o nw i l lb e c o n s i d e r e d t h em a i n s t r e a ma n di n j e c t i o nt e m p e r a t u r ea r ev a r ya l o n gw i t h t i m e c o m p a r e dw i t h t h es t e pc h a n g eo ft h em a i n s t r e a mt e m p e r a t u r e t h e nad e w m e a s u r e m e n tc o r r e l a t i o ni sb u i l tu p a n dt h i sc o n d i t i o nm a k e st h ed e v i c eo ft h e e x p e r i m e n ts i m p l ec o m p a r e dw i t ht h es t e pc h a n g eo fm a i n s t r e a mt e m p e r a t u r eb u tt h e p r o c e s si sm o r ec o m p l e x e x c e p tf o rt h ee x p e r i m e n t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa l s ou s e d t h er e s u l to f 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h i sn e w m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea r er i g h ta n d c a na p p l i e dt ot h i se x p e r i m e n t 1 1 1 et r a n s i e n tl i q u i dc r y s t a lt e c h n i q u eh a db e e na p p l i e dt ot h i se x p e r i m e n tt o m e a s u r et h eh e a t e de f f e c t i v e n e s sa n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h em a j o rc o n c l u s i o n o f t h i ss t u d ya r ef o l l o w e d ： f l o wr e s i s t a n c e ： ( 1 ) w h e nt h ev e l o c i t yo fm a i n s t r e a mi sl o w e r , t h eh i g h e rt h eb l o wr a t i oi st h e h i g h e rt h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n ti s b u tw h e nt h ev e l o c i t yo f m a i n s t r e a mi sh i g h e r , t h e d i s c h a r g ec o e f f i c i e n tk e e pac o n s t a n tt r e n di nh i 【g hb l o wr a t i o ( 2 ) t h eh i g h e rt h ev e l o c i t yo fm a i n s t r e a mi st h eh i g h e rt h ed i s c h a r g ec o e f f i c i e n t i s b u tt h e r ei sn o ts i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h em a x i m u md i s c h a r g ec o e f f i c i e n t s b e t w e e nd i f f e r e n tm a i n s t r e a mv e l o c i t i e s h e a t e de f f e c t i v e n e s s ： ( t ) t h ea v e r a g eh e a t e de f f e c t i v e n e s sh a st w od i s t r i c t ，o n ei st h er o l ld i s t r i c ta n d a n o t h e ri st h eo v e r l a yd i s t r i c ti nt h ef l o wd i r e c t i o n i nt h er o l ld i s t r i c t ，t h em o r ef a r a w a yf r o mt h es l o t st h eh i g h e rt h ea v e r a g eh e a t e de f f e c t i v e n e s si s ；b u ti nt h eo v e r l a y d i s t r i c t ，t h em o r ef a ra w a yf r o mt h es l o t st h el o w e rt h ea v e r a g eh e a t e de f f e c t i v e n e s si s a n dt h ed e s c e n d i n gt r e n do fa v e r a g eh e a t e de f f e c t i v e n e s si ss l o w e rw h e nt h e m a i n s t r e a mv e l o c i t yi sh i g h e ri nt h ef l o wd i r e c t i o no fo v e r l a yd i s t r i c t ( 2 ) i nt h es a m eb l o wr a t i o ，t h eh i g h e rt h em a i n s t r e a mv e l o c i t yi st h eh i g h e rt h e a v e r a g eh e a t e de f f e c t i v e n e s si nt h eo v e r l a y d i s t r i c ti s ( 3 ) t h eh e a t e de f f e c t i v e n e s si nt h ec e n t e r l i n eo ft h es l o t si sh i g h e rt h a nt h a t b e t w e e ns l o t s ，w h i c hi n d i c a t e st h ed i s t r i b u t i o no fh e a t e de f f e c t i v e n e s si sn o tu n i f o r m i nt h es p a n w i s ed i r e c t i o n h e a tt r a n s f e rc o e m c i e n t ( 1 ) t h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n th a sad e s c e n d i n gt r e n di n t h ef l o w d i r e c t i o n i nt h es a l r l ev e l o c i t yo fm a i n s t r e a m ，t h eh i g h e rt h eb l o wr a t i oi st h eh i g h e r t h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sa n di nt h es a m eb l o wr a t i o ，t h eh i g h e rv e l o c i t y o fm a i n s t r e a mi st h eb 5 【g h e rt h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s ( 2 ) t h ed i s t r i b u t i o no fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti nt h es p a n w i s ed i r e c t i o ni sn o t u n i f o r m 1 1 1 e1 1 e a tt r a n s f e rc o e m c i e n tb e t w e e ns l o t si sh i g h e rt h a nt h a ti nt h e c e n t e r l i n eo fs l o t s t h en e a r e rt h es l o t st h el o c a t i o ni st h em o r eo b v i o u s l yt h e p h e n o m e n a o f d i s u n i f o r mi s i v 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d ：a n t i i c i n g ，d i s c r e t es l o t s ，l i q u i dc r y s t a l ，h e a tt r a n s f e r , t r a n s i e n t m e a s u r e m e n t v 西北工业大学硕士学位论文主要符号说明 x 、y 、2 r ， c c d d a s 叩 坐标系方向 温度 时间 电荷耦合器 信号采集板 加热网效率 主要符号说明 离散缝加热效率 带离散缝平板换热系数 不带离散缝平板换热系数 绝热壁温 壁面温度 主流温度 射流温度 热扩散率 第i 时刻时间下标 第i 时刻时间 导热系数 比热 密度 热色液晶 雷诺数 吹风比 流量系数 主流速度 d z n 。 p 二次流( 射流) 速度 缝隙宽度 缝隙长度 努谢尔特数 普朗特数 节 吩 乙 0 瓦 疋a， t 五。 p m e觥甜矿 塑! ! 三些盔兰堡圭兰篁篓窒 篁= 童笙丝 1 1 引言 第一章绪论 飞机在结冰气象条件下飞行时，容易发生结冰现象。大气中含有不同相态 的水，这是飞机结冰的前提条件。我们把飞机在大气中飞行时，其部件表面上积 聚了冰层这种现象称为飞机结冰i ”。根据结冰时的具体条件，飞机结冰可以分为 干结冰、凝华结冰、滴状结冰三种形式。 其中干结冰是指飞机在热带区域中飞行时，如遇上了冰晶云( 由冰晶体组 成的云) ，冰晶体沉积在飞机表面上而使飞机结冰。 凝华结冰是指大气中的气态水( 即水蒸气) 不经过液态相而直接冻结在飞 机表面上的一种结冰形式。因此，它可以在无云的大气中发生。也有人将这种结 冰形式称为升华结冰。 大气中的过冷水滴撞击在飞机表面上，并在其上冻结成冰，称为滴状结冰。 上述三种结冰形式中，干结冰和凝华结冰相对滴状结冰而言是比较少见的， 而滴状结冰是飞机结冰中的常见形式。另外，干结冰和凝华结冰对飞机性能的影 响较小，对飞机的安全飞行不会带来太大的危害；而滴状结冰对飞机性能影响较 大，甚至会引起严重的飞行事故。 飞机结冰的具体条件不同，导致所结冰层的形状也不同。不同的冰形对飞 行影响也不一样。常见的结冰种类，就其外形可分为槽状冰，楔形冰和介于两者 之间的混合冰等三类。 槽状冰的表面光滑，冰体透明，又称它为明冰、玻璃冰。这类冰具有沿翼 型表面的弦向分布较广、冰的比重大、与表面的连接力很大，法向结合力高等特 点。飞机部件表面，特别是机翼表面上结了这类冰形，将会严重的破坏飞机的气 动外形，又由于它与表面的结合力较大而难以脱落，所以它对飞行的危害最大。 楔形冰透明度差，多呈乳白色，无光泽，所以又称为“不透明冰”、“无 光泽冰”和“乳白冰”。楔形冰具有在结冰表面上分布范围小( 冰仅在翼前缘很 狭窄的区域上形成) 、比重小、组织比较松脆，比较容易脱落等特点。但一旦冰 层结得很厚，又加上表面比较粗糙，它也会对飞行带来较大的危害。 混合形冰又称为“毛冰”、“瓷冰”，其主要特点是表碰粗糙不平以及与表面的连 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 接十分牢固。由于这类冰的表面粗糙不平，对飞机气动外形的破坏比较大：又因 其在表面上冻结得十分牢固，所以难以脱落，对飞行的危害也很大。根据有关资 料报导，飞机结冰中，经常出现的为混合冰型，其次为楔形冰。槽状冰出现机会 较少。 在结冰气象条件下飞行时，飞机所有部件的迎风面上都可以结上冰层，由 于飞机各部件在飞机上的作用不同，所以它们结冰对飞机性能的影响也不完全一 样。 在飞机各部件结冰情况中，主要有升力表面结冰，发动机进气道及动力装 置结冰、风挡玻璃、测温、测压传感头结冰川。 升力表面主要是指机翼和尾翼两个部件。机翼、尾翼上所结的冰层，主要 积聚在它们的前缘部分。升力表面结冰会对气动品质产生影响。如升力表面结冰 后，产生了表面的不平度并使翼型失真，严重破坏了机翼的流线外形，致使层流 附面层的紊流化，与此相应的摩擦阻力和压差阻力都要增大；当机翼表面结冰后， 由于气动外形遭到破坏，促使气流提早分离，因而使i l t i i 界攻角下降，并且由于冰 形的不同所引起的临界攻焦的降低是不一样的；当机翼结冰后，引起升阻比的下 降，使机翼气动品质变劣。再者，升力表面结冰可以导致飞机操纵性能降低，特 别会使处于起飞、着陆状态下的飞机操纵性严重恶化。机翼结冰时，由于临界攻 角降低，使飞机在低速飞行、特别是在着陆时，有失速的危险。水平尾翼结冰时， 减少了临界攻角，在较大速度和较小过载时可在较小负攻角下出现气流分离，在 增大速度和减少过载时，进一步减小其攻角，将导致其下表面气流的完全分离。 由于下表面气流的严重分离，导致了比较严重的非操纵性飞机低头。附面层的紊 流化和气流的局部分离的出现，还破坏了付翼，减速装置、襟翼以及其它类似的 操纵机构的正常工作。操纵机构的缝隙结冰，不仅降低操纵效率，严重时可出现 卡死现象，使操纵性能完全丧失。在冻雨或雪中飞行时，会引起操纵机构因结冰 而阻塞的现象。 飞机在结冰条件下飞行时，发动机进气道、进气部件和动力装置均会发生 结冰。发动机进气道及迸气部件的结冰，是指进气道前缘、发动机压气机前的整 流罩、支撑及第一级压气机前的导流叶片等部件的结冰。空气经第一级压气机后， 其温度一般升为正温，因此第一级压气机后的转子及导流叶片不会结冰。发动机 进气道结冰与机翼结冰有很多相似之处，但又有以下特点。 f 1 ) 环境空气温度为正温时，可以发生结冰。在一定飞行条件下，如在起飞 时，其飞行速度不大，但发动机转速很高，此时，在进气道的入口，其气流速度 比b 行速度高，又由于进气道的进气口具有类似机翼的外形，所以当气流流过时 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 或多或少地会出现空气的膨胀及压力的下降，气流的温度会降低，因此具有较低 正温的气流，在进气道入口处可以降为负温，从而发生结冰。 ( 2 ) 进气道的内表面上结冰范围及结冰强度均比其外表面大得多，这样会导 致内表面气动特性的恶化，速度场分布不均匀和使气流发生局部分离，这些影响 又会引起压气机叶片的振动。当超音速进气道在起飞及低亚音速飞行时，要求有 尽可能大的空气流量，此时如果发生结冰，将会导致发动机的损坏及停车等一系 列严重后果。如果升力表面上或者进气道内的冰层脱落，也会随气流进入发动机 的压气机而打伤具有很大转速的压气机叶片，造成压气机的机械损伤或导致整台 发动机的损坏。 由此可见发动机进气遭及进气部件结冰对发动机影响是很大的，轻则会使 发动机的功率降低，重则造成发动机的损坏。所以为保障飞机飞行安全，发动机 防冰是十分必要的。 除了进气道结冰情况以外，在结冰条件下飞行的飞机，其螺旋桨的桨叶、 螺旋桨的壳体和整流罩均可发生结冰，并且由于冰层的脱落通常是不均匀和非对 称的，结果会使螺旋桨的平衡遭到破坏，出现动力装置和飞机的振动，发展下去 可使轴承损坏和发动机停车等严重事故。另外，具有较大动能和质量的冰层，由 螺旋桨表面脱落后，还隐含着损坏发动机部件和击破蒙皮或气密坐舱的危险，所 以飞机螺旋桨结冰也严重影响飞机的飞行安全。 最后是关于风挡玻璃、测温、测压传感头结冰对飞机飞行的影响。风挡玻 璃结冰使得透明度变坏，使目测飞行十分困难，甚至无法目测机外情况，这在起 飞和着陆时是很危险的。测温测压传感头结冰使仪器仪表的测量失效，指示失真， 同样对飞行造成危害。 综上所述，飞机在结冰条件下飞行时，在不同部件和部位均可发生结冰现 象，对飞机飞行安全的影响也各不相同，特别是发动机进气道及进气道部件的结 冰，对飞行危害是十分严重的，所以对这些部件和部位的防冰显得尤其重要。现 代飞机上都有防冰除冰装置，人们对飞机防冰的研究工作也从没间断过。 1 2 本文研究背景和意义 由前所述，在结冰条件下飞行的飞机，飞机迎风面上各部位各不同部件均 会发生结冰，会对飞行安全构成威胁。所以对飞机进行防冰研究是十分必要的。 本文具体研究的是热气防冰中的气膜换热情况，热气防冰是指利用发动机 瓜气机压缩后的高温空气经过特定的引气结构把热气输送到需要防冰的发动机 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 不同部位和部件表面进行防冰【2 】。在给定的防冰表面的结构及尺寸下，本文对该 结构下的换热情况进行实验研究并辅以数值模拟对比。本文研究的防冰表面其结 构为叉排离散缝槽，其中缝槽短边为半圆形边。根据相似原理，对该结构按l ：2 比例进行放大，针对这种结构下的防冰表面进行换热系数和换热效率的实验测 量，总结出经验公式，提供给相关设计人员参考。 1 3 飞机防冰研究的现状 对于飞机防冰方面，国外有很深入的研究。早在2 0 年代末，用于研究飞机 结冰的初型冰风洞闯世。由于中，、型商用运输机的发展和直升机装备防、除冰 系统的需要，防冰的研究日趋成熟。飞机防冰是一门综合性的技术学科，需要运 用传热学，空气动力学，流体力学等学科的知识。防冰指防止飞机在飞行过程中 冰的形成，现有防冰系统可分为两大类：一类称为防冰系统，即不允许在飞机部 件上产生结冰的系统。另一类称为除冰系统，这类系统允许在飞机部件结少量的 冰，然后周期地把冰除去。根据防冰所采用能量方式不同，分为机械除冰系统、 液体防( 除) 冰系统、热气防冰系统、电热防( 除) 冰系统等【3 1 。 机械除冰系统，就是用机械的方法把冰破碎，然后由气流吹除，或者利用 离心力、振动把冰除去。用机械的方法使冰破碎的方法很多，最早使用的方法是 在防冰的表面放置许多可膨胀的胶管，当表面结冰时，胶管充气膨胀，使冰破碎， 然后利用气流把冰吹除，这种防冰系统一般叫做膨胀管除冰系统。膨胀管防冰装 置既可沿展向分布也可以沿弦向分布，膨胀管充气时，管予凸出，使冰破裂，然 后由气流吹走。除冰后，膨胀管收缩，以保持一定的气动外形。除冰时由于胶管 凸出，破坏了原来的气动外形，所以现代高速飞机上很少采用这种系统，只有再 个别机种的雷达罩除冰采用这种方法。膨胀管除冰系统的优点是工作可靠、节省 能量。但是它的致命弱点是阻力大，所以不适台于高速飞行的飞机，而且除冰不 可能很彻底，会有一些残留冰，这又使阻力增加。 此外，还可用振动的方法使冰破碎并除去。如用超声波使蒙皮产生高频振 动以除去冰，或者周期地给蒙皮一个脉冲力，使蒙皮产生小振幅高频振动，从而 把冰除去。这种方法最早由苏联科学工作眷提出，采用“电脉冲除冰”方法，实 验证明该方法是一种省能而有效的防冰方法。它具有：系统工作温度范围大、所 需能量少、重量轻，结构紧凑、在防冰区外不会形成冰瘤等优点。j 下是如此，它 是一种有前途的防冰方法。前苏联从六十年代丌始研究这种防冰系统，并在伊尔 一1 8 飞机卜进行了试验。机械除冰方法在早期低速飞机l z 广泛采用，随着飞行 4 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 速度的提高很少采用，目前由于新的机械除冰方法出现，使这一方法又引起人们 的注意。 随着飞机飞行速度的不断提高，气动除冰罩的弱点更为突出。人们着眼于 寻找物理、化学方法来防冰，希望找到一种涂料，在物理和化学作用下，使冰融 化或者减小与蒙皮的亲和力，从而把冰从表面上除去。 过去用理化方法得到实际应用的只有液体防冰。系统不断的向防冰表面供 给防冰液，此防冰液与飞机部件所收集的水混合，使其混合液的冰点低于表面温 度，使水不致在表面上结冰。可用作防冰液的有乙烯乙二醇、异丙醇、乙醇等。 防冰液除了有良好的防冰性能( 即混合液的冰点低) 外，还必须考虑对蒙皮的腐 蚀性以及着火的安全性等。甲醇的冰点最低，乙二醇次之，乙烯乙= 醇比较高， 从着火的危险性来说，乙烯乙二醇最安全，而且化学稳定性好，价格便宜，美国 的飞机常用它作为防冰液；而苏联则多用乙醇或它与其它液体的混合液。在八十 年代初，d l k o h l m a n 和w g s c h w e i k h a r d 在n a s a 的l e w i sr e s e a r c hc e n t e r 的 冰风洞进行了机翼前缘多孔防冰系统的乙二醇防冰研究。实验结果显示该防冰系 统在结冰表面进行防冰除冰方面非常有效。并且总结出，所需的乙二醇最少量与 飞行速度、大气中液态水的含量、环境温度以及撞击水尺寸的函数关系 4 1 。 除以上两种防冰系统外还有热防冰系统。现代飞行器上广泛采用热防冰系 统，其热源主要有两种：电热 2 1 及气热。此外有的发动机还利用热滑油来防冰， 这样既冷却了发动机的润滑油，又解决了防冰的问题。热防冰用热能加热表面， 使表面温度超过0 。c ，以达到防冰或除冰的目的。 对于飞机的机翼、尾翼、直升机旋翼等防冰需热量大的部件，一般都采用 周期电除冰，周期电除冰可以大大地节省能量。 用热空气作为热源时，通常采用连续加温，很少采用热气周期除冰系统， 这是由于热气周期除冰系统的热惯性大，容易在加热区后面形成冰瘤，而且它的 控制比周期电除冰系统困难，热效率也不如电除冰，这些都限制了热气除冰系统 的应用。表面连续加热可分为完全蒸发防冰和不完全蒸发防冰。所谓完全蒸发防 冰，就是在设计结冰气象状态下，防冰系统能将所收集的水全部蒸发掉。现代飞 机所采用的完全蒸发防冰系统要求在加热区内将所收集的水全部蒸发，这样不会 形成冰瘤，从防冰特性上来说是最理想的，但由于它所需要的能量比不完全蒸发 防冰大，所以目前只用于少数不允许形成冰瘤的地方。如有尾吊发动机的翼根， 某些发动机进气道前缘及发动机的防冰上。所谓不完全蒸发防冰是指不把所有的 收集水都蒸发掉，即允许在加热区后形成少量的冰瘤。这种防冰系统所需的加热 功率比完全蒸发小得多。目前大多数防冰部件设计成不完全蒸发防冰，现代喷气 西北_ 业大学硕士学位论文 第一章绪论 飞机的机翼大都采用这种系统。 本文所研究的是热气加热防冰，即引用发动机进气道里压气机的引气进行 热气防冰。在八十年代初，r r o s s 就在商用飞机上进行了机翼前缘防冰系统的热 力性能的实验研究阁。他在相当广泛的飞行条件下进行干空气飞行测试，沿机翼 前缘弦长和展长方向各布置了六个热电偶，目的是收集这两个方向上的温度分布 及热气流量，建立机翼前缘热气腔的加热效率公式，用于在已知的飞行及结冰条 件下进行弦长和展长这两个方向上温度变化的预测。在八十年代后期， a h t a b r i z i 和e g k e s h o c k 用圆柱模型研究了机翼前缘的防冰特性 6 1 。他们通过 分布在圆柱上的缝槽结构喷射热空气来阻止大气中的过冷水滴撞击结冰表面从 而实现防冰除冰的目的。改变表面上喷射的气流会使得撞击水滴的运动轨迹发生 改变，使撞击水滴离开结冰表面。通过不同的表面喷射情况获得了撞击水滴的运 动轨迹，并且进一步发现在一定的圆柱直径、自由来流速度、撞击水滴尺寸以及 喷射条件下，有一最佳的缝槽分布位置，使得射流有最高的效率。如最少的过冷 水收集量及冰生成量。此外，他们还研究了射流喷射量以及缝槽数目的多少对过 冷水收集系数的影响。 本文所研究的热气防冰其结构为叉排离散缝，即在防冰表面采用叉排缝槽 结构进行气膜加热而防冰。早在1 9 4 3 年德国科学家w e i g h a r d t 首次研究气膜冷 却时，目的是为解决飞机机翼和驾驶舱窗结冰而进行了气膜融冰和防冰的实验研 究【7 】。他用大量实验确定了机翼上热风槽里需要多少热空气量才能防止结冰。实 验板的长度达5 - 3 米，缝槽高为1 5 和1 7 毫米。风洞喉部为0 4 米乘0 6 米。主 流速度为1 6 和3 2 米秒。气膜速度和主流速度比为0 2 1 9 。气膜温度在3 0 一6 0 摄氏度之间。该实验是在当时德国的凯撒维海姆气体动力学研究所进行的。 w e i g h a r d 首次提出影响气膜冷却( 或加热) 的主要参数是吹风比m 。此外他还研 究了有气膜时的流阻系数和压力对气膜冷却效果的影响。并且研究了两排气膜缝 槽和多排孔气膜冷却的规律。用湍流边界层近似积分的方法计算了气膜流场的温 度。w e i g h a r d t 得出结论，热气膜防冰的吹风比不宜超过1 。吹风比m 在0 - 0 6 之间，流动阻力略有下降。为了保证良好的融冰效果，热气膜的压力要高一些。 为了增加气膜缝槽结构的强度，作者研究了两排叉排长方形气膜孔的加热效果。 1 4 液晶测量技术的研究现状 本文为了测量叉排离散缝结构下的气膜加热效率和换热系数，采用的测量 手段是液晶瞬态测量技术【8 】。该瞬态测量技术所用的液晶是热色液晶中的一种， 6 西北上业人学硕士学位论文 第一章绪论 该技术是利用液晶随温度的变化迅速改变其反射光颜色的特性，在现代光学，光 电仪器及计算机图像技术1 9 i 的支持下，获取测量表面的温度场肿】。 液晶是一种乳白色的化学物质”。液晶态是物质的固态、液态、气态之外 的一个新的凝聚态。是奥地利植物学家r e i n i t z e r 于1 8 8 8 年和德国物理学家 l e h a m a m 于1 8 8 9 年首先发现和确认的。早在1 8 5 0 年前后，人们已经发现某些 胆固醇衍生物冷却时出现彩色的现象，这就是液晶的热色效应( 温度变色效应) 的 最早历史印记【1 2 1 。一个半世纪以来，人们对这种随温度而改变颜色的热( 变) 色液 晶的性能进行了深入的研究，并获得了广泛的应用，热色液晶测温技术就是其中 之一。 液晶是介于固相和液相的中介相，固有类似晶体物理性质的各向异性，又 具有液体的流动性【1 3 1 。液晶分为致溶液晶和热致液晶两类。在溶剂中按一定浓度 形成的液晶相称为致溶液晶，因温度而异出现的液晶相称为热致液晶，其结构可 分为三大类：向列型( n ) 、胆淄型( h ) 、近晶型( s ) ”。 热致液晶又叫热敏液晶或热色液晶( t h e r m o c h r o m i cl i q u i dc r y s t a l ) 简称 t l c ，它能够以色彩的变化反映温度的变化。热色液晶又可分为两种，一种是在 某一温度以下反射一种特定的颜色，超过此温度则无色，这个温度称为转变温度。 另一种则有两个明显的熔点( 转变温度) ，处于这两个熔点之间，随温度的不同 呈现不同的颜色，其它温度则无色，而液晶仅是介于这两个熔点之间的过度相m 】。 液晶的热色效应主要由胆淄相液晶产生【l “。该晶体的柱状分子分层而整齐 地排列着。在每一层中，分子的长轴互相平行且平行于层面。但对不同的层面， 长轴方向按螺旋线而缓慢地变化。胆淄相液晶由于具有这种层状、扭曲型的分子 结构，使其具有很强的旋光性和圆二向色性等光学性能。其圆二向色性使得白 光照射到液晶能分成旋向相反的两束偏振光，一束反射，一束投射。反射光波的 频率与分子层距有关。当温度变化造成分子间距改变时，液晶所反射光的频率也 不同，从而呈现一系列色彩变化，每种颜色都与一定的温度对应“”。而且在一定 温度范围内这种对应关系几乎是线性的，利用这种“颜色温度”关系就可以 确定所测表面的温度分布【l ”。 液晶在较低温度时是无色的，当受热时达到开始变色的温度点时先是变为 红色，随着温度逐渐升高，颜色依次转变为橙色、黄色、绿色最后为蓝色。超出 液晶的变色温度范围，它又变为无色。所呈现的颜色转变温度点称为转变温度。 从红色到蓝色这一变色范围内的温差称为带宽。液晶带宽的大小由液晶的化学组 分确定。通常带宽的范围可以从0 5 。c 2 04 c ，根据需要可以选择所需的显色温 度范围。液晶可以在一3 0 4 c1 0 0 。c 以上显示颜色变化。按照带宽的大小，热色液 西北工业大学硕士学位论文 镑一童绪诊 晶又可分为宽带液晶和窄带液晶。宽带液晶通常带宽有2 0 。c ，而一般窄带液晶 所显示的温度变化范围在o 5 。c 2 。其颜色分辨率可达0 1 。 由于液晶的带宽有窄带和宽带之分，通常窄带液晶对温度响应迅速( 在3 m s 内) ，常用于瞬态传热测量；而宽带液晶常用于稳态传热测量【2 0 1 1 2 1 i 。在原理上， 瞬态测量技术是基于一维非稳态导热模型进行的。即对模型施加瞬间热流，利用 表面对流体温度的瞬间响应来推算瞬间的热交换。当气流处于稳定加热状态时， 进而可以推算出表面的换热系数。 在国外，液晶瞬态传熟测量已有深入的研究应用，尤其在航空航天领域。 它已广泛应用于叶片复杂表面的传热及流场测量【2 2 1 ，成为测量全表面换热系数分 布的最好方法之一。 pti r e l a n d 和tvj o n e s 应用液晶瞬态测量技术对平板进行了传热及表面 剪切力的测量【2 3 】。在这一领域，前人做了多种情况的研究。c l i f f o r de ta l 曾于上 世纪八十年代研究了来流温度为阶跃变化的情况，提出了测量表面温度对来流温 度依变的关系式，称为该情况下测量表面温度的依据关系式。随后，m e t z g e r 和 l a r s o n 研究了来流温度逐渐上升的情况。他们的研究应用了c l i f f o r de ta l 对来流 阶跃情况研究的成果，提出把逐渐上升的来流温度按一系列阶跃变化的情况处 理，即在极小的时间间隔内，可以把来流的温度变化看成是阶跃的，从而得出了 测量表面温度对来流的依变关系。 在上世纪九十年代中期，g i l l e s p i e 对来流温度以某一温度值疋为渐近线按 指数规律变化的情况进行了研究并提出该情况下的表面温度随流体温度的依变 关系式驯。随后，他继续研究了来流温度变化为斜率是m 的斜坡函数的情况以及 分段斜坡函数的情况。 r i v i r 应用液晶瞬态测量技术研究了高紊流度情况下叶片前缘的气膜冷却 情况瞄】。d r o s t 等人应用液晶瞬态技术研究了平板及叶片的气膜冷却效率和换热 系数情况m 】，还对带气膜冷却的圆柱型模型进行了研究【2 7 l 。其中在对平板的气膜 冷却研究中，d r o s t 等人还运用了多次测量回归求解的方法来减少测量中的误 差，并取得了很好的效果。 近年来，国外又