測量空氣動力表面的水滴收集系數的方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種用于測量空氣動力表面的水滴收集系數的方法和系統。包括：在特定速度和特定溫度的干空氣下，以第一功率密度加熱所述空氣動力表面至預定外表面溫度；在所述特定速度和所述特定溫度的濕空氣下，以第二功率密度加熱所述空氣動力表面至所述預定外表面溫度，所述濕空氣具有特定液態水含量；以及基于所述特定速度、所述特定溫度、所述液態水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述預定外表面溫度，獲取所述空氣動力表面的所述水滴收集系數。本發明的方法和系統能夠連續的測量任何狀態下的空氣動力表面的水滴收集系數，特別是用于測量飛機的空氣動力表面(例如，機翼、發動機進氣口等)的水滴收集系數。
【專利說明】測量空氣動力表面的水滴收集系數的方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量空氣動力表面的水滴收集系數的方法和系統。
【背景技術】
[0002]在進行防冰或結冰仿真分析時，需要求解水蒸發散熱、加熱過冷水滴所需熱流和水滴動能轉變的熱流，三項熱流需要求解撞擊到表面的撞擊水量，撞擊水量需要求解該表面水滴收集系數。其中，撞擊水量為水滴收集系數β、空氣速度Vtl和空氣中的液態水含量LffC的函數。為驗證計算軟件或程序計算的水滴收集系數的準確性，需要通過試驗對水滴收集系數進行測量。
[0003]已知的水滴收集系數方法為吸墨紙染色法。將吸墨紙布置在測量表面，水滴撞擊多的區域吸墨紙顏色較黑，水滴撞擊少的區域顏色較淺。根據色卡查得撞擊水量，然后根據撞擊水量和測量時間得到水滴收集系數。在參考文獻“C.S.Bidwell，Cleveland, OH.，S.R.Mohler, Jr.etc..^Collect1n Efficiency and Ice Accret1n Calculat1ns for aSphere, a Swept MS(I)-317ffing, a Swept NACA-OO12ffing Tip, an Axisymmetric Inlet,and a Boeing737_300Inlet’AIAA-95-0755”中采用該方法在美國國家航空航天局(NASA)的LEWIS冰風洞分別對球體、MS-317翼型、NACA-OO12翼型、一種對稱發動機進氣口和B737-300發動機進氣口，測量了各自的水滴收集系數，來驗證LEWICE3D程序計算水滴收集系數的準確性。
[0004]吸墨紙染色方式操作簡單，但受制于吸墨紙吸水能力的限制，對液態水含量較大的濕空氣，短時間內吸墨紙過飽和，以至于無法準確測量。并且在每一狀態下，需要更換吸墨紙，因此無法對不同狀態進行連續測量。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種測量空氣動力表面的水滴收集系數的方法，該方法能夠連續的測量任何狀態下的空氣動力表面的水滴收集系數，特別是用于測量飛機的空氣動力表面(例如，機翼、發動機進氣口等)的水滴收集系數。
[0006]根據本發明的一個方面，提供了一種用于測量空氣動力表面的水滴收集系數的方法，所述方法包括以下步驟:在特定速度和特定溫度的干空氣下，以第一功率密度加熱所述空氣動力表面至預定外表面溫度；在所述特定速度和所述特定溫度的濕空氣下，以第二功率密度加熱所述空氣動力表面至所述預定外表面溫度，所述濕空氣具有特定液態水含量；以及基于所述特定速度、所述特定溫度、所述液態水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述預定外表面溫度，獲取所述空氣動力表面的所述水滴收集系數。
[0007]在一個實施例中，所述第一功率密度為統一值，所述第二功率密度為分布，所述預定外表面溫度為分布。
[0008]在另一個實施例中，所述第一功率密度為分布，所述第二功率密度為分布，所述預定外表面溫度為統一值。
[0009]所述預定外表面溫度被設置為以使得撞擊到所述空氣動力表面的過冷水在撞擊處完全蒸發。例如，所述預定外表面溫度大于40°C。
[0010]有利地，所述獲取步驟包括:
[0011 ]-基于所述第二功率密度qs和所述第一功率密度qg，并根據下式，計算功率密度增量Aq
[0012]Aq = qs-qg ；
[0013]-基于所述功率密度增量Λq、所述預定外表面溫度ts、所述特定溫度h和所述特定速度Vo，并根據下式，計算撞擊水量W
KX Ag
YY ^.*
_4] C x(t -t0) + L -泣
w \ se 產I
Z.
[0015]其中所述K為有效系數，表征傳遞到所述空氣動力表面的功率密度與加熱功率密度的比值，所述Cw為水的比熱，所述Le為水的蒸發潛熱；
[0016]-基于所述撞擊水量W、所述液態水含量LWC和所述特定速度Vtl,并根據下式，計算所述水滴收集系數β
— W_7] fi = LWC^V0
a
[0018]根據本發明的另一個方面，提供了一種用于測量空氣動力表面的水滴收集系數的系統，所述系統包括:加熱器組件，其設置在所述空氣動力表面上，并且被配置為加熱所述空氣動力表面；溫度傳感器組件，其設置在所述空氣動力表面上，并且被配置為測量所述空氣動力表面的外表面溫度；以及控制器，其分別耦接至所述加熱器組件和所述溫度傳感器組件，并且被配置為:基于所述溫度傳感器組件的反饋，控制所述加熱器組件在特定速度和特定溫度的干空氣下，以第一功率密度加熱所述空氣動力表面至預定外表面溫度；調整所述加熱器組件的功率密度，并且在所述特定速度和所述特定溫度的濕空氣下，以第二功率密度加熱所述空氣動力表面至所述預定外表面溫度，所述濕空氣具有特定液態水含量；以及基于所述特定速度、所述特定溫度、所述液態水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述預定外表面溫度，計算所述空氣動力表面的所述水滴收集系數。
[0019]在一個實施例中，所述第一功率密度為統一值，所述第二功率密度為分布，以及所述預定外表面溫度為分布。
[0020]在另一個實施例中，所述第一功率密度為分布，所述第二功率密度為分布，所述預定外表面溫度為統一值。
[0021]有利地，所述加熱器組件包括貼附在所述空氣動力表面的內表面上的一組加熱器，所述溫度傳感器組件包括貼附在所述空氣動力表面的外表面上的一組溫度傳感器，并且各個溫度傳感器被對應安裝在各個加熱器的中心位置。
[0022]以上描述的兩種加熱模式僅是實現本發明的發明目的的兩個實施例，可以理解的是，本發明的加熱模式并不限于上述的特定方式。
[0023]有利地，所述控制器被配置為單獨地調整所述一組加熱器中的每一個加熱器的功率密度。
[0024]有利地，所述系統還包括:絕緣層，其位于所述空氣動力表面和所述加熱器組件之間；絕熱層，其位于所述加熱器組件內表面。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]本發明的其它特征以及優點將通過以下結合附圖詳細描述的優選實施方式更好地理解，附圖中，相同的附圖標記標識相同或相似的部件，其中:
[0026]圖1不出了根據本發明的一個實施例的空氣動力表面的不意圖；
[0027]圖2示出了根據本發明的一個實施例的測量空氣動力表面的水滴收集系數的系統。
【具體實施方式】
[0028]下面具體描述根據本發明的測量空氣動力表面的水滴收集系數的系統的結構特征、工作原理及工作過程。在這里，示例的結構設計圖僅用于便于理解本發明，而非對本發明的結構特征作出具體限定。此外，在下面的具體描述中，方向性的術語，例如上、下、頂部等均參考附圖中描述的方向使用，這些方向性的術語僅用于示例而非限制。因此，示例的結構設計圖及以下描述本發明所結合的實施例并不旨在窮盡根據本發明的所有實施例。
[0029]圖1不出了根據本發明的一個實施例的空氣動力表面的不意圖。圖中不例的空氣動力表面為飛機機翼。可以理解的是，本發明中涉及的空氣動力表面并不限于飛機機翼，其還可以是飛機發動機進氣口等。本發明各實施例的技術方案用于測量圖1的示例性的空氣動力表面的水滴收集系數。
[0030]圖2示出了根據本發明的一個實施例的測量空氣動力表面的水滴收集系數的系統20。該系統20包括加熱器組件201，其設置在空氣動力表面30，例如空氣動力表面30的內表面301上，用于加熱空氣動力表面。有利地，加熱器組件201和空氣動力表面30的內表面301之間可布置一絕緣層205，而加熱器組件201相對于空氣動力表面30的另一面上則可布置一絕熱層206。
[0031]該加熱器組件201可以例如包括一組加熱器。有利地，各加熱器之間可布置有絕熱和絕緣材料207。加熱器可以是電阻絲、電阻膜等任何適當的加熱器件。加熱器的數目可以根據所測量的空氣動力表面的面積來確定。通常，空氣動力表面有一定的曲率(參見圖1)，因此，有利地，加熱器為可彎曲的，從而可以貼緊空氣動力表面的內表面。加熱器可以采用導熱硅膠粘接在空氣動力表面的內表面上，當然，其他適當的連接方式也可適用于將加熱器連接至空氣動力表面的內表面上。
[0032]仍參照圖2，系統20還包括溫度傳感器組件202，其設置在空氣動力表面30，例如空氣動力表面30的外表面303上，用于測量空氣動力表面的外表面溫度。例如，溫度傳感器組件202可以包括一組溫度傳感器。有利地，各個溫度傳感器可被對應安裝在各個加熱器的中心位置。
[0033]溫度傳感器可以是例如熱電偶等微小體積類型的傳感器。溫度傳感器可以采用粘結或其他適合的連接方式固定在空氣動力表面上。為了不影響表面流場，有利地，可在空氣動力表面30的外表面303上設置多個凹槽，將各個溫度傳感器埋入凹槽內，并填充導熱硅膠或其他高導熱材料后銑平。
[0034]系統20還包括控制器203，其分別耦接至加熱器組件201和溫度傳感器組件202，用于控制加熱器組件201加熱空氣動力表面30，以及用于獲取溫度傳感器組件202測量到的空氣動力表面30的外表面溫度。例如，對于溫度傳感器組件202中的一組溫度傳感器，其可以分別使連接線通過各自凹槽底部的細孔并穿過空氣動力表面的內表面連接到控制器203。加熱器組件201中的一組加熱器可以分別通過連接線連接到控制器。有利地，加熱器組件201中的各個加熱器的加熱功率可以由控制器203單獨地控制。
[0035]在運行中，控制器203控制加熱器組件201中的各個加熱器在特定速度和特定溫度的干空氣下，以第一功率密度加熱空氣動力表面30至預定外表面溫度；然后控制器203調整加熱器組件201中的各個加熱器的功率密度，并且在相同的特定速度和相同的特定溫度，以及特定液態水含量的濕空氣下，以第二功率密度加熱空氣動力表面30至該預定外表面溫度。
[0036]該預定外表面溫度被設置為以使得撞擊到所述空氣動力表面的過冷水在撞擊處完全蒸發。例如，該預定外表面溫度為大于40°C。
[0037]在一個實施例中，控制器203首先控制加熱器組件201中的各個加熱器以相同的一種功率密度(也即，第一功率密度中的各功率密度值相同)加熱空氣動力表面30，并通過溫度傳感器組件202測量得到預定外表面溫度。由于空氣動力學表面的局部流場和水滴撞擊特性不同，因此，各個加熱器以相同的一種功率密度加熱空氣動力表面后測量得到的預定外表面溫度為分布，也即，在整個加熱區域內的空氣動力表面的外表面溫度隨空間位置的變化而不同。然后，在相同的特定速度和相同的特定溫度、以及特定液態水含量的濕空氣下，控制器203調整各個加熱器的功率密度至另一種功率密度(第二功率密度中的各功率密度值不同)來加熱空氣動力表面30，并通過溫度傳感器組件202測量得到所述預定外表面溫度(也即，與干空氣下加熱到的外表面溫度一致)。
[0038]另一個實施例中，控制器203首先調節加熱器組件201中的各個加熱器的功率密度來加熱空氣動力表面30，使各測量點的溫度相同，并通過溫度傳感器組件202測量得到預定外表面溫度(該預定外表面溫度為統一值，也即整個加熱區域內的外表面溫度一致)。由于空氣動力學表面的局部流場和水滴撞擊特性不同，為達到相同的溫度分布，各個加熱器所需要的加熱功率密度不同(也即，第一功率密度中的各功率密度值不同)。然后，在相同的特定速度和相同的特定溫度、以及特定液態水含量的濕空氣下，控制器203調整各個加熱器的功率密度至第二功率密度(第二功率密度中的各功率密度值不同)來加熱空氣動力表面30，并通過溫度傳感器組件202測量得到該預定外表面溫度(也即，與干空氣下加熱到的外表面溫度一致)。
[0039]最后，控制器203基于特定速度、特定溫度、液態水含量、第一功率密度、第二功率密度和預定外表面溫度，獲取空氣動力表面30的水滴收集系數。
[0040]例如，控制器203可以通過以下方式獲取空氣動力表面30的水滴收集系數。具體地，首先，控制器203基于第二功率密度qs和第一功率密度qg，并根據下式，計算功率密度增量Aq
[0041]Aq = qs-qg。
[0042]接著，控制器203基于功率密度增量Λ q、預定外表面溫度ts、特定溫度、和特定速度\，并根據下式，計算撞擊水量W
ττ,K K Ag
γγ =---±-
[0043]、 r V}
Cw,噸-&)+4Y
[0044]其中，K為有效系數，表征傳遞到空氣動力表面的功率密度與加熱功率密度的比值，Cw為水的比熱，Le為水的蒸發潛熱。
[0045]然后，控制器203基于撞擊水量W、液態水含量LWC和特定速度并根據下式，計算水滴收集系數β
W
[_] P = LWCxV0
O
[0047]控制器203可以是例如微處理器。
[0048]本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，應當理解的是，上述實施方式存在許多修改方式，這些方式對相關領域技術人員來說是很明顯的。這些修改/變型落入本發明的相關領域中，也應當包括在所附的權利要求的范圍中。
【權利要求】
1.一種用于測量空氣動力表面的水滴收集系數的方法，所述方法包括以下步驟: -在特定速度和特定溫度的干空氣下，以第一功率密度加熱所述空氣動力表面至預定外表面溫度； -在所述特定速度和所述特定溫度的濕空氣下，以第二功率密度加熱所述空氣動力表面至所述預定外表面溫度，所述濕空氣具有特定液態水含量； -基于所述特定速度、所述特定溫度、所述液態水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述預定外表面溫度，獲取所述空氣動力表面的所述水滴收集系數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預定外表面溫度被設置為以使得撞擊到所述空氣動力表面的過冷水在撞擊處完全蒸發。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲取步驟包括: -基于所述第二功率密度qs和所述第一功率密度qg，并根據下式，計算功率密度增量Aq
Aq = Qs-Qg ； -基于所述功率密度增量△ q、所述預定外表面溫度ts、所述特定溫度h和所述特定速度Vtl,并根據下式，計算撞擊水量Wlex Ag W =-—---J-
Cw x(ts-10) + Le -"■
s 其中所述K為有效系數，表征傳遞到所述空氣動力表面的功率密度與加熱功率密度的比值，所述Cw為水的比熱，所述Le為水的蒸發潛熱； -基于所述撞擊水量W、所述液態水含量LWC和所述特定速度Vtl,并根據下式，計算所述水滴收集系數β
W β 一 "_
LWCxV0
O
4.一種用于測量空氣動力表面的水滴收集系數的系統，所述系統包括: 加熱器組件，其設置在所述空氣動力表面上，并且被配置為加熱所述空氣動力表面； 溫度傳感器組件，其設置在所述空氣動力表面上，并且被配置為測量所述空氣動力表面的外表面溫度； 控制器，其分別耦接至所述加熱器組件和所述溫度傳感器組件，并且被配置為: 基于所述溫度傳感器組件的反饋，控制所述加熱器組件在特定速度和特定溫度的干空氣下，以第一功率密度加熱所述空氣動力表面至預定外表面溫度； 調整所述加熱器組件的功率密度，并且在所述特定速度和所述特定溫度的濕空氣下，以第二功率密度加熱所述空氣動力表面至所述預定外表面溫度，所述濕空氣具有特定液態水含量；以及 基于所述特定速度、所述特定溫度、所述液態水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述預定外表面溫度，計算所述空氣動力表面的所述水滴收集系數。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述預定外表面溫度被設置為以使得撞擊到所述空氣動力表面的過冷水在撞擊處完全蒸發。
6.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述控制器進一步被配置為: -基于所述第二功率密度qs和所述第一功率密度qg，并根據下式，計算功率密度增量Aq
Aq = Qs-Qg ； -基于所述功率密度增量△ q、所述預定外表面溫度ts、所述特定溫度h和所述特定速度Vtl,并根據下式，計算撞擊水量W 霞 K X Aq }ψ = __?___
Cw X (is ~t0) + Le r-
L *
5 其中所述K為有效系數，表征傳遞到所述空氣動力表面的功率密度與加熱功率密度的比值，所述Cw為水的比熱，所述Le為水的蒸發潛熱； -基于所述撞擊水量W、所述液態水含量LWC和所述特定速度Vtl,并根據下式，計算所述水滴收集系數β
W β 一_^_
LWCxV0
O
【文檔編號】G01M9/06GK104296957SQ201410461886
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】史獻林, 徐佳佳, 楊勝華 申請人:中國商用飛機有限責任公司, 中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
