飛機結冰與防冰技術

《飛機結冰與防冰技術》是2016年1月北京航空航天大學出版社出版的圖書，作者是林貴平、卜雪琴、申曉斌、郁嘉。

基本介紹

• 中文名：飛機結冰與防冰技術
• 作者：林貴平、卜雪琴、申曉斌、郁嘉
• ISBN：9787512420182
• 定價：32元
• 出版社：北京航空航天大學出版社
• 出版時間：2016年1月
• 裝幀：平裝
• 開本：16開

內容簡介

飛機在結冰氣象條件下飛行時，會在其表面產生結冰現象。飛機結冰會嚴重威脅飛機的飛行安全。飛機結冰與防冰技術涉及流體力學、熱力學、多相流等多學科，本書立足飛機防(除)冰技術的新進展，系統介紹飛機結冰現象、防(除)冰方法及相關的基礎理論和數值模擬方法。內容包括：飛機結冰現象及機理、飛機防(除)冰方法、水滴撞擊特性、飛機結冰過程分析、熱氣防冰系統設計及熱力分析、直升機結冰與防冰、飛機結冰探測、飛機結冰與防(除)冰試驗，以及飛機透明表面防冰、防霧等。

本書既可作為高等院校相關專業高年級本科生、研究生的教材，也可供從事相關領域研究的工程技術人員參考。

圖書目錄

第1章　飛機結冰現象及機理…………………………………………………………………… 1

1．1　飛機結冰現象…………………………………………………………………………… 1

1．1．1　基本概念…………………………………………………………………………… 1

1．1．2　結冰種類…………………………………………………………………………… 2

1．1．3　結冰部位…………………………………………………………………………… 4

1．1．4　結冰強度…………………………………………………………………………… 5

1．2　飛機結冰氣象條件……………………………………………………………………… 6

1．2．1　雲的種類狀態……………………………………………………………………… 6

1．2．2　雲中的過冷水滴…………………………………………………………………… 8

1．2．3　水滴粒徑分布……………………………………………………………………… 9

1．3　影響飛機結凍的物理因素……………………………………………………………… 10

1．3．1　水滴直徑…………………………………………………………………………… 10

1．3．2　液態水含量………………………………………………………………………… 11

1．3．3　空氣溫度…………………………………………………………………………… 11

1．3．4　飛行高度…………………………………………………………………………… 12

1．3．5　雲層的水平距離…………………………………………………………………… 12

1．3．6　地形因素…………………………………………………………………………… 12

1．3．7　季節因素…………………………………………………………………………… 12

1．3．8　與飛機有關的因素………………………………………………………………… 12

1．4　飛機結冰設計規範……………………………………………………………………… 14

1．4．1　結冰氣象參數統計數據…………………………………………………………… 14

1．4．2　傳統結冰氣象設計標準…………………………………………………………… 14

1．4．3　新增結冰氣象設計標準…………………………………………………………… 20

1．5　結冰對飛機性能的影響………………………………………………………………… 25

1．5．1　升力面結冰………………………………………………………………………… 25

1．5．2　發動機結冰………………………………………………………………………… 27

1．5．3　其他部位結冰……………………………………………………………………… 28

參考文獻……………………………………………………………………………………… 28

第2章　飛機防(除)冰方法…………………………………………………………………… 30

2．1　熱防冰系統……………………………………………………………………………… 30

2．1．1　概　述……………………………………………………………………………… 30

2．1．2　熱氣防冰系統……………………………………………………………………… 32

2．1．3　電熱防(除)冰系統………………………………………………………………… 35

2．2　液體防冰系統…………………………………………………………………………… 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　機械除冰系統…………………………………………………………………………… 40

2．3．1　膨脹管除冰………………………………………………………………………… 40

2．3．2　電脈衝除冰系統…………………………………………………………………… 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　典型飛機的防(除)冰系統……………………………………………………………… 45

2．5．1　波音787飛機的防冰系統………………………………………………………… 45

2．5．2　ARJ21飛機的防冰系統………………………………………………………… 46

參考文獻……………………………………………………………………………………… 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　總收集係數………………………………………………………………………… 49

3．1．3　局部水收集係數…………………………………………………………………… 50

3．1．4　水滴遮蔽區………………………………………………………………………… 51

3．1．5　水滴撞擊特性計算方法…………………………………………………………… 51

3．2　空氣流場計算…………………………………………………………………………… 52

3．2．1　質量守恆方程……………………………………………………………………… 53

3．2．2　動量守恆方程……………………………………………………………………… 53

3．2．3　能量守恆方程……………………………………………………………………… 55

3．3　拉格朗日法計算水滴撞擊特性………………………………………………………… 56

3．3．1　水滴運動軌跡方程………………………………………………………………… 56

3．3．2　運動方程的數值求解……………………………………………………………… 58

3．3．3　拉格朗日法計算局部水收集係數………………………………………………… 62

3．4　歐拉法計算水滴撞擊特性……………………………………………………………… 63

3．4．1　概念引入…………………………………………………………………………… 63

3．4．2　歐拉法計算模型…………………………………………………………………… 63

3．4．3　數值求解及實現方法……………………………………………………………… 65

3．4．4　歐拉法計算局部水收集係數……………………………………………………… 67

3．5　水滴撞擊特性影響參數………………………………………………………………… 67

3．5．1　飛行速度的影響…………………………………………………………………… 68

3．5．2　水滴直徑結果分析………………………………………………………………… 68

3．5．3　幾何形狀的影響…………………………………………………………………… 69

3．6　過冷大水滴撞擊特性…………………………………………………………………… 70

3．6．1　過冷大水滴動力學現象…………………………………………………………… 70

3．6．2　過冷大水滴運動模型……………………………………………………………… 71

參考文獻……………………………………………………………………………………… 74

第4章　飛機結冰過程分析…………………………………………………………………… 76

4．1　基本概念………………………………………………………………………………… 76

4．1．1　結冰過程數值分析步驟…………………………………………………………… 76

4．1．2　結冰熱力學分析…………………………………………………………………… 77

4．2　空氣流場與水滴撞擊特性計算………………………………………………………… 77

4．3　結冰熱力學分析………………………………………………………………………… 77

4．3．1　控制容積的質量守恆……………………………………………………………… 78

4．3．2　控制容積的能量守恆……………………………………………………………… 80

4．3．3　結冰係數f 的求解……………………………………………………………… 83

4．3．4　冰形計算…………………………………………………………………………… 84

4．4　結冰過程對流換熱係數的計算………………………………………………………… 86

4．4．1　表面粗糙度的計算………………………………………………………………… 86

4．4．2　粗糙壁面附面層積分法…………………………………………………………… 87

4．4．3　CFD方法………………………………………………………………………… 89

4．5　飛機結冰過程影響因素分析………………………………………………………… 100

4．5．1　環境溫度對結凍的影響………………………………………………………… 100

4．5．2　平均容積直徑(MVD)對結凍的影響…………………………………………… 103

4．5．3　結冰時間的影響………………………………………………………………… 103

4．5．4　液態水含量(LWC)對結凍的影響……………………………………………… 103

4．6　現行結冰計算軟體介紹……………………………………………………………… 105

4．6．1　LEWICE ………………………………………………………………………… 105

4．6．2　FENSAPGICE …………………………………………………………………… 106

參考文獻……………………………………………………………………………………… 107

第5章　熱氣防冰系統設計及熱力分析……………………………………………………… 109

5．1　防冰系統設計嚴酷狀態點及防護區域的確定……………………………………… 109

5．1．1　嚴酷狀態點的確定……………………………………………………………… 109

5．1．2　防護區域的確定………………………………………………………………… 110

5．2　防冰熱載荷…………………………………………………………………………… 110

5．2．1　防冰熱載荷計算………………………………………………………………… 111

5．2．2　溢流水…………………………………………………………………………… 113

5．3　防冰表面傳熱係數計算……………………………………………………………… 115

5．3．1　附面層的概念…………………………………………………………………… 115

5．3．2　對流換熱係數求解方法………………………………………………………… 116

5．4　供氣管路的計算……………………………………………………………………… 118

5．4．1　供氣管路的溫降計算…………………………………………………………… 119

5．4．2　供氣管路的壓降計算…………………………………………………………… 120

5．4．3　笛形管熱氣噴口流量及噴口壓力損失計算…………………………………… 123

5．5　防冰腔結構設計及熱效率計算……………………………………………………… 126

5．5．1　防冰腔結構設計………………………………………………………………… 126

5．5．2　防冰腔內熱氣流動與換熱模擬………………………………………………… 126

5．6　熱氣防冰腔內外耦合傳熱計算……………………………………………………… 127

5．7　典型參數對表面溫度的影響………………………………………………………… 130

5．7．1　表面溫度和溢流水結果總體分析……………………………………………… 130

5．7．2　水滴直徑的影響………………………………………………………………… 131

5．7．3　液態水含量的影響……………………………………………………………… 132

5．7．4　環境溫度的影響………………………………………………………………… 134

5．7．5　攻角的影響……………………………………………………………………… 135

參考文獻……………………………………………………………………………………… 137

第6章　直升機結冰與防冰…………………………………………………………………… 139

6．1　直升機結冰…………………………………………………………………………… 139

6．1．1　直升機結凍的危害……………………………………………………………… 139

6．1．2　直升機結凍的特點……………………………………………………………… 140

6．2　直升機防(除)冰系統………………………………………………………………… 142

6．2．1　液體防冰系統…………………………………………………………………… 142

6．2．2　電熱除冰系統…………………………………………………………………… 142

6．3　直升機電熱除冰系統設計…………………………………………………………… 144

6．3．1　設計狀態的確定………………………………………………………………… 144

6．3．2　除冰防護區的確定……………………………………………………………… 145

6．3．3　加熱片的分區方式……………………………………………………………… 146

6．3．4　加熱功率及除冰控制規律設計………………………………………………… 148

6．3．5　黑鷹直升機除冰系統…………………………………………………………… 149

參考文獻……………………………………………………………………………………… 151

第7章　飛機結冰探測………………………………………………………………………… 152

7．1　飛機結冰探測系統的基本概念……………………………………………………… 152

7．1．1　冰和結冰條件探測……………………………………………………………… 152

7．1．2　結冰係數的考慮………………………………………………………………… 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　結冰探測器指示方法…………………………………………………………… 156

7．2　常用結冰探測器……………………………………………………………………… 156

7．2．1　常用結冰方法簡介……………………………………………………………… 156

7．2．2　諧振結冰探測器………………………………………………………………… 157

7．2．3　光學法結冰探測器……………………………………………………………… 160

參考文獻……………………………………………………………………………………… 163

第8章　飛機結冰與防(除)冰試驗…………………………………………………………… 164

8．1　概　述………………………………………………………………………………… 164

8．2　結冰與防冰試驗方法………………………………………………………………… 165

8．2．1　冰風洞試驗……………………………………………………………………… 165

8．2．2　乾空氣飛行試驗………………………………………………………………… 165

8．2．3　模擬結冰飛行試驗……………………………………………………………… 166

8．2．4　自然結冰飛行試驗……………………………………………………………… 167

8．2．5　其他地面模擬試驗……………………………………………………………… 169

8．3　冰風洞試驗技術……………………………………………………………………… 170

8．3．1　常規風洞………………………………………………………………………… 170

8．3．2　冰風洞…………………………………………………………………………… 172

8．3．3　參數測量………………………………………………………………………… 175

8．4　相似準則……………………………………………………………………………… 182

8．4．1　流場相似………………………………………………………………………… 183

8．4．2　水滴運動軌跡相似……………………………………………………………… 183

8．4．3　表面水收集量相似……………………………………………………………… 186

8．4．4　結冰表面熱力學相似…………………………………………………………… 187

8．4．5　相似方法………………………………………………………………………… 188

參考文獻……………………………………………………………………………………… 191

第9章　飛機透明表面防冰、防霧…………………………………………………………… 193

9．1　風擋防冰……………………………………………………………………………… 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…………………………………………………………………………… 198

9．2　風擋防冰熱載荷及其影響因素……………………………………………………… 199

9．2．1　水收集係數與防冰載荷計算…………………………………………………… 199

9．2．2　風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型飛機的風擋防冰、防霧系統……………………………………………… 203

參考文獻……………………………………………………………………………………… 205

附錄A　流體外掠平板對流換熱附面層積分方程求解……………………………………… 206

附錄B　劉易斯冰風洞………………………………………………………………………… 209

附錄C　飽和水蒸氣、乾空氣物性及常用材料物性參數表……………………………………… 211