飞机电热除冰的研究进展与展望

 飞机在结冰气象条件下容易发生结冰现象,冰的存在会破坏飞机气动特性,影响飞行安全,严重结冰可导致机毁人亡,故必须及时将冰移除。电热除冰是目前最常考虑的除冰方式之一,本文系统介绍了电热除冰装置及其工作原理。首先,主要围绕除冰过程的传热特性、冰层力学特性和冰脊的形成,详细阐述了国内外电热除冰研究的发展。然后,针对国内外研究存在的一些问题,提出了几点对电热除冰研究的粗略想法,电热除冰数值计算方法和模拟技术研究、热力耦合特性对冰层融化和力学特性的影响研究、冰脱落准则和运动规律研究是未来研究需要重视的方向。     

基于机器学习的界面多相催化效应动力学蒙特卡罗模化

高焓气动环境表面多相催化效应对高超声速飞行器气动热有显著影响,对该效应多尺度特征的表征建模是飞行器热防护系统轻量化、低冗余设计的重要前提.采用动力学蒙特卡罗方法,建立了可用于宏观流场计算的界面多相催化介观模型,并通过径向基函数神经网络算法,训练形成了基于机器学习的吸附演化动力学精确解析的界面多相催化代理模型,实现了催化复合系数的快速精准预测.研究表明,基于机器学习的界面催化代理模型获得的复合系数预测值与动力学蒙特卡罗方法相一致,同时计算时间大幅缩短至常规宏观方法耗时.通过与宏观非平衡流场求解器耦合,所建立的界面催化模型可快速获得多尺度界面多相催化效应下的表面气动加热热流.基于机器学习方法对微细尺度的计算结果进行模化并用于宏观计算,在解析界面多相反应演化动力学的同时,提升了计算效率,为工程适用的飞行器复杂高温效应跨尺度建模提供了理论依据.     

对流-辐射换热下功能三明治夹层结构热力耦合FVM研究

本文发展了一种适用于二维对流-辐射换热环境下功能型芯子夹层结构热力耦合问题的控制体有限元方法(CV-FVM).基于4点四边形单元,对控制方程及换热边界的离散过程进行了详细的推导.基于交错网格技术,将待解变量存储在单元节点,将材料参数存储在单元中心,为保证温度迭代求解收敛将辐射换热边界条件进行线性化处理.针对指数型芯子夹层结构的纯导热问题将本文计算结果与解析解进行对比,二者吻合良好.分别研究了几何参数和物理参数,如毕渥数、辐射-导热系数、环境温度比、面板厚度和功能型芯子梯度因子对结构内热弹性能的影响.结果表明:加热面毕渥数对结构内的热弹性影响很小,而冷却面毕渥数对热弹性影响较大;相比加热面,冷却面对环境温度的变化更加敏感;针对指数型芯子夹层结构,增加上面板厚度可降低上面板与芯子连接处的大梯度应力问题;相比指数型芯子,采用线性分布(p=1)功能型芯子结构应力分布更光滑,可更有效缓解结构内大幅度的应力变化.     

基于微分流形理论的结冰条件下飞机鲁棒动力学边界研究

基于微分流形理论构建了一种结冰条件下飞机鲁棒动力学边界保护系统设计方案。首先基于微分流形理论计算了飞机未结冰时的动力学边界,并用Monte Carlo法验证了其准确性和高效性;其次,以结冰因子影响模型为基础,研究了不同结冰程度下飞机动力学边界的变化规律;进而提出了飞机鲁棒动力学边界,并设计了结冰条件下飞机鲁棒动力学边界保护系统。当飞机遭遇结冰不利飞行环境时,相比于传统动力学边界,该鲁棒动力学边界不需获取准确的冰型信息和结冰严重程度。考虑当前结冰检测技术手段,提出的方法具有更加广泛的工程应用意义。在飞机超出动力学边界之前,边界保护系统作用使飞行状态保持在安全阈值范围内,从而保证飞机安全可控。     

基于微分流形理论的结冰条件下飞机鲁棒动力学边界研究

由于对飞机结冰的相关基础科学问题缺乏全面而清晰的认识，现有结冰防护手段还不能完全消除结冰的危害，因结冰导致的重大飞行事故时有发生，成为了困扰航空工业发展的难题。为了有效支撑我国高端飞行器的研制，系统地开展飞机结冰致灾与防护的基础问题研究具有紧迫的现实意义和深远的科学意义。本专栏依托国家重点基础研究发展计划（973计划）“飞机结冰致灾与防护关键基础问题研究”而设立，围绕结冰对大飞机气动特性和飞行特性的影响规律、致灾机理及安全保障方法等关键科学问题，对结冰后复杂流场的数值模拟、结冰后动力学特性分析、结冰风险量化评估、结冰安全防护理论与方法等内容展开了深入研究，集中体现了该项目取得的新成果，可为相关研究人员提供有益的参考。同时，本专栏采用视频加载等增强出版形式，读者可扫描文中二维码链接来观看论文相关实验视频资料，以加深对所研究问题的认识。限于人力、物力、时间以及研究者水平，文中所述方法及结论可能存在一定局限性。我们相信，随着国内结冰问题研究手段和方法不断取得突破，必将极大地助力新型飞机的研制，使航空工业发展跃上新的台阶！     

超声固体测温中的二维温度场重建算法研究

高分辨率的温度场重建算法是制约超声波无损探测固体内部温度分布的重要因素之一.本文基于多路超声探测方法,建立了超声测量二维固体结构内部温度分布的理论模型;从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法;在此基础上,从直接求解热/声耦合反问题角度入手,将二维瞬态非均匀温度场的重建问题转化为传播路径预测和等效热边界的反演问题,发展了一种高分辨率的结构内部二维非均匀温度场重建方法,并通过数值仿真分析了传播路径随温度的弯曲特性、算法的精度与抗噪性、测点位置分布对重建精度的影响规律等.数值对比表明,本文所建算法精度高、抗噪性强、适用性好,为实现超声固体测温中的二维温度场的高分辨率再现奠定坚实基础.     

结冰风洞高度模拟能力评估

飞机结冰是飞行实践中广泛存在的一种现象,也是造成飞行安全事故的主要隐患之一.结冰风洞是开展飞机结冰研究的重要设备,通过在结冰风洞内制造结冰气象条件,对真实结冰现象进行模拟.本文针对飞机结冰主要发生在从地面到7 000 m高度的大气环境之内这一客观情况,对设计中的某型结冰风洞是否能够在地面模拟高空低压环境下的结冰问题进行了研究,以决定该风洞是否需配置调压设备.采用结冰试验相似准则对该风洞的高度模拟能力进行了评估,考查了温度、水滴直径、液态水含量及速度等参数的设计指标是否满足模拟高空结冰的试验要求.研究发现.试验模型缩比是限制结冰风洞模拟水滴直径和液态水含量能力的主要因素,高度的增加不会导致对水滴直径和液态水含量的模拟超过风洞的设计能力;只要采用不小于0.1的模型缩比进行试验,即使不增加调压设备,以现有的温度、水滴直径、液态水含量以及速度等参数的设计指标,该风洞也具备了模拟7 000m膏度飞机结冰的能力.     

结冰风洞液态水含量测量方法研究

液态水含量是影响结冰形状和结冰类型的重要结冰云雾参数。获知结冰风洞中的液态水含量,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。本文提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段。测量结冰风洞中液态水含量的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到物体表面水滴的总收集系数;其次,计算不同液态水含量所对应的结冰质量。建立液态水含量与结冰质量的关系曲线;在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的结冰质量,通过在液态水含量与结冰质量的关系曲线上进行插值,进而得到实验液态水含量的大小。用本文提出的方法进行结冰风洞液态水含量测量。只需一般的质量测量工具即可进行。操作方便,成本低廉,避免了常规的液态水含量测量或标定需要专门设备的不足。采用25和35m,s两种速度条件对0．3m×0．2m结冰风洞的液态水含量进行了测量,两种条件得到的结果一致,相差不超过0．01g／m^3,说明本文提出的方法是合理的。研究显示,0．3m×0．2m结冰风洞在开启一个喷嘴时,液态水含量值在0．15g／m^3左右。     

Ni-Cr-W 基高温合金高温氧化行为研究

研究了一种Ni-Cr-W基高温合金在700～1 200℃的高温氧化行为。采用XRD,SEM/EDS,拉曼光谱和维氏硬度等表征手段对氧化膜中物相、微区成分分布及合金表面硬度等结构及性能进行了研究。结果表明：随着氧化温度增加,合金中的Ni和Cr最先被氧化形成Cr₂O₃和NiO,其中的Cr₂O₃是致密的氧化层;当温度高于1 050℃时,有少量的SiO₂生成;实验范围内合金的氧化动力学曲线符合指数增长规律,氧化增重量都小于1 mg/cm²,说明合金是抗氧化级;合金在1 200℃下循环氧化后,氧化层厚度和增厚量都明显增加,其抗氧化性能明显变差;在1 100℃下氧化后合金的维氏硬度基本不变,而经过1 200℃循环氧化后氧化层会出现起皮剥落,导致合金表面硬度下降。     

热声固耦合问题多参数识别中解的唯一性和算法研究

本文研究了一类热声固多物理场耦合中的初边值识别问题,建立了基于超声回波时间测量的固体结构表面热流和尺寸的多参数同时识别模型.利用热传导方程的极值原理,证明了耦合问题多参数识别中解的唯一性,为超声同时测温测厚等工程应用提供了理论支撑.在数值求解正问题的基础上,将反问题重新表述为由偏微分方程约束的优化问题.将共轭梯度法反演热流和最速下降法反演厚度相结合,发展了多参数识别问题的交替迭代算法,并通过严格的收敛性分析,给出了交替迭代算法的收敛性条件,证明了算法的全局收敛性.最后通过设计数值算例,验证了本算法的可靠性和可行性,并对比了仅识别热流的单参数识别算法,验证了本算法在精度方面的提高.