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测量空气动力表面的水滴收集系数的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于测量空气动力表面的水滴收集系数的方法和系统。包括：在特定速度和特定温度的干空气下，以第一功率密度加热所述空气动力表面至预定外表面温度；在所述特定速度和所述特定温度的湿空气下，以第二功率密度加热所述空气动力表面至所述预定外表面温度，所述湿空气具有特定液态水含量；以及基于所述特定速度、所述特定温度、所述液态水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述预定外表面温度，获取所述空气动力表面的所述水滴收集系数。本发明的方法和系统能够连续的测量任何状态下的空气动力表面的水滴收集系数，特别是用于测量飞机的空气动力表面(例如，机翼、发动机进气口等)的水滴收集系数。
【专利说明】测量空气动力表面的水滴收集系数的方法和系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量空气动力表面的水滴收集系数的方法和系统。

【背景技术】
[0002]在进行防冰或结冰仿真分析时，需要求解水蒸发散热、加热过冷水滴所需热流和水滴动能转变的热流，三项热流需要求解撞击到表面的撞击水量，撞击水量需要求解该表面水滴收集系数。其中，撞击水量为水滴收集系数β、空气速度Vtl和空气中的液态水含量LffC的函数。为验证计算软件或程序计算的水滴收集系数的准确性，需要通过试验对水滴收集系数进行测量。
[0003]已知的水滴收集系数方法为吸墨纸染色法。将吸墨纸布置在测量表面，水滴撞击多的区域吸墨纸颜色较黑，水滴撞击少的区域颜色较浅。根据色卡查得撞击水量，然后根据撞击水量和测量时间得到水滴收集系数。在参考文献“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”中采用该方法在美国国家航空航天局(NASA)的LEWIS冰风洞分别对球体、MS-317翼型、NACA-OO12翼型、一种对称发动机进气口和B737-300发动机进气口，测量了各自的水滴收集系数，来验证LEWICE3D程序计算水滴收集系数的准确性。
[0004]吸墨纸染色方式操作简单，但受制于吸墨纸吸水能力的限制，对液态水含量较大的湿空气，短时间内吸墨纸过饱和，以至于无法准确测量。并且在每一状态下，需要更换吸墨纸，因此无法对不同状态进行连续测量。


【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种测量空气动力表面的水滴收集系数的方法，该方法能够连续的测量任何状态下的空气动力表面的水滴收集系数，特别是用于测量飞机的空气动力表面(例如，机翼、发动机进气口等)的水滴收集系数。
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量空气动力表面的水滴收集系数的方法，所述方法包括以下步骤:在特定速度和特定温度的干空气下，以第一功率密度加热所述空气动力表面至预定外表面温度；在所述特定速度和所述特定温度的湿空气下，以第二功率密度加热所述空气动力表面至所述预定外表面温度，所述湿空气具有特定液态水含量；以及基于所述特定速度、所述特定温度、所述液态水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述预定外表面温度，获取所述空气动力表面的所述水滴收集系数。
[0007]在一个实施例中，所述第一功率密度为统一值，所述第二功率密度为分布，所述预定外表面温度为分布。
[0008]在另一个实施例中，所述第一功率密度为分布，所述第二功率密度为分布，所述预定外表面温度为统一值。
[0009]所述预定外表面温度被设置为以使得撞击到所述空气动力表面的过冷水在撞击处完全蒸发。例如，所述预定外表面温度大于40°C。
[0010]有利地，所述获取步骤包括:
[0011 ]-基于所述第二功率密度qs和所述第一功率密度qg，并根据下式，计算功率密度增量Aq
[0012]Aq = qs-qg ；
[0013]-基于所述功率密度增量Λq、所述预定外表面温度ts、所述特定温度h和所述特定速度Vo，并根据下式，计算撞击水量W

KX Ag
YY ^.*
_4] C x(t -t0) + L -泣
w \ se 产I


Z.
[0015]其中所述K为有效系数，表征传递到所述空气动力表面的功率密度与加热功率密度的比值，所述Cw为水的比热，所述Le为水的蒸发潜热；
[0016]-基于所述撞击水量W、所述液态水含量LWC和所述特定速度Vtl,并根据下式，计算所述水滴收集系数β
— W_7] fi = LWC^V0



a
[0018]根据本发明的另一个方面，提供了一种用于测量空气动力表面的水滴收集系数的系统，所述系统包括:加热器组件，其设置在所述空气动力表面上，并且被配置为加热所述空气动力表面；温度传感器组件，其设置在所述空气动力表面上，并且被配置为测量所述空气动力表面的外表面温度；以及控制器，其分别耦接至所述加热器组件和所述温度传感器组件，并且被配置为:基于所述温度传感器组件的反馈，控制所述加热器组件在特定速度和特定温度的干空气下，以第一功率密度加热所述空气动力表面至预定外表面温度；调整所述加热器组件的功率密度，并且在所述特定速度和所述特定温度的湿空气下，以第二功率密度加热所述空气动力表面至所述预定外表面温度，所述湿空气具有特定液态水含量；以及基于所述特定速度、所述特定温度、所述液态水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述预定外表面温度，计算所述空气动力表面的所述水滴收集系数。
[0019]在一个实施例中，所述第一功率密度为统一值，所述第二功率密度为分布，以及所述预定外表面温度为分布。
[0020]在另一个实施例中，所述第一功率密度为分布，所述第二功率密度为分布，所述预定外表面温度为统一值。
[0021]有利地，所述加热器组件包括贴附在所述空气动力表面的内表面上的一组加热器，所述温度传感器组件包括贴附在所述空气动力表面的外表面上的一组温度传感器，并且各个温度传感器被对应安装在各个加热器的中心位置。
[0022]以上描述的两种加热模式仅是实现本发明的发明目的的两个实施例，可以理解的是，本发明的加热模式并不限于上述的特定方式。
[0023]有利地，所述控制器被配置为单独地调整所述一组加热器中的每一个加热器的功率密度。
[0024]有利地，所述系统还包括:绝缘层，其位于所述空气动力表面和所述加热器组件之间；绝热层，其位于所述加热器组件内表面。

【专利附图】

【附图说明】
[0025]本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，附图中，相同的附图标记标识相同或相似的部件，其中:
[0026]图1不出了根据本发明的一个实施例的空气动力表面的不意图；
[0027]图2示出了根据本发明的一个实施例的测量空气动力表面的水滴收集系数的系统。

【具体实施方式】
[0028]下面具体描述根据本发明的测量空气动力表面的水滴收集系数的系统的结构特征、工作原理及工作过程。在这里，示例的结构设计图仅用于便于理解本发明，而非对本发明的结构特征作出具体限定。此外，在下面的具体描述中，方向性的术语，例如上、下、顶部等均参考附图中描述的方向使用，这些方向性的术语仅用于示例而非限制。因此，示例的结构设计图及以下描述本发明所结合的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。
[0029]图1不出了根据本发明的一个实施例的空气动力表面的不意图。图中不例的空气动力表面为飞机机翼。可以理解的是，本发明中涉及的空气动力表面并不限于飞机机翼，其还可以是飞机发动机进气口等。本发明各实施例的技术方案用于测量图1的示例性的空气动力表面的水滴收集系数。
[0030]图2示出了根据本发明的一个实施例的测量空气动力表面的水滴收集系数的系统20。该系统20包括加热器组件201，其设置在空气动力表面30，例如空气动力表面30的内表面301上，用于加热空气动力表面。有利地，加热器组件201和空气动力表面30的内表面301之间可布置一绝缘层205，而加热器组件201相对于空气动力表面30的另一面上则可布置一绝热层206。
[0031]该加热器组件201可以例如包括一组加热器。有利地，各加热器之间可布置有绝热和绝缘材料207。加热器可以是电阻丝、电阻膜等任何适当的加热器件。加热器的数目可以根据所测量的空气动力表面的面积来确定。通常，空气动力表面有一定的曲率(参见图1)，因此，有利地，加热器为可弯曲的，从而可以贴紧空气动力表面的内表面。加热器可以采用导热硅胶粘接在空气动力表面的内表面上，当然，其他适当的连接方式也可适用于将加热器连接至空气动力表面的内表面上。
[0032]仍参照图2，系统20还包括温度传感器组件202，其设置在空气动力表面30，例如空气动力表面30的外表面303上，用于测量空气动力表面的外表面温度。例如，温度传感器组件202可以包括一组温度传感器。有利地，各个温度传感器可被对应安装在各个加热器的中心位置。
[0033]温度传感器可以是例如热电偶等微小体积类型的传感器。温度传感器可以采用粘结或其他适合的连接方式固定在空气动力表面上。为了不影响表面流场，有利地，可在空气动力表面30的外表面303上设置多个凹槽，将各个温度传感器埋入凹槽内，并填充导热硅胶或其他高导热材料后铣平。
[0034]系统20还包括控制器203，其分别耦接至加热器组件201和温度传感器组件202，用于控制加热器组件201加热空气动力表面30，以及用于获取温度传感器组件202测量到的空气动力表面30的外表面温度。例如，对于温度传感器组件202中的一组温度传感器，其可以分别使连接线通过各自凹槽底部的细孔并穿过空气动力表面的内表面连接到控制器203。加热器组件201中的一组加热器可以分别通过连接线连接到控制器。有利地，加热器组件201中的各个加热器的加热功率可以由控制器203单独地控制。
[0035]在运行中，控制器203控制加热器组件201中的各个加热器在特定速度和特定温度的干空气下，以第一功率密度加热空气动力表面30至预定外表面温度；然后控制器203调整加热器组件201中的各个加热器的功率密度，并且在相同的特定速度和相同的特定温度，以及特定液态水含量的湿空气下，以第二功率密度加热空气动力表面30至该预定外表面温度。
[0036]该预定外表面温度被设置为以使得撞击到所述空气动力表面的过冷水在撞击处完全蒸发。例如，该预定外表面温度为大于40°C。
[0037]在一个实施例中，控制器203首先控制加热器组件201中的各个加热器以相同的一种功率密度(也即，第一功率密度中的各功率密度值相同)加热空气动力表面30，并通过温度传感器组件202测量得到预定外表面温度。由于空气动力学表面的局部流场和水滴撞击特性不同，因此，各个加热器以相同的一种功率密度加热空气动力表面后测量得到的预定外表面温度为分布，也即，在整个加热区域内的空气动力表面的外表面温度随空间位置的变化而不同。然后，在相同的特定速度和相同的特定温度、以及特定液态水含量的湿空气下，控制器203调整各个加热器的功率密度至另一种功率密度(第二功率密度中的各功率密度值不同)来加热空气动力表面30，并通过温度传感器组件202测量得到所述预定外表面温度(也即，与干空气下加热到的外表面温度一致)。
[0038]另一个实施例中，控制器203首先调节加热器组件201中的各个加热器的功率密度来加热空气动力表面30，使各测量点的温度相同，并通过温度传感器组件202测量得到预定外表面温度(该预定外表面温度为统一值，也即整个加热区域内的外表面温度一致)。由于空气动力学表面的局部流场和水滴撞击特性不同，为达到相同的温度分布，各个加热器所需要的加热功率密度不同(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温度、以及特定液态水含量的湿空气下，控制器203调整各个加热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)来加热空气动力表面30，并通过温度传感器组件202测量得到该预定外表面温度(也即，与干空气下加热到的外表面温度一致)。
[0039]最后，控制器203基于特定速度、特定温度、液态水含量、第一功率密度、第二功率密度和预定外表面温度，获取空气动力表面30的水滴收集系数。
[0040]例如，控制器203可以通过以下方式获取空气动力表面30的水滴收集系数。具体地，首先，控制器203基于第二功率密度qs和第一功率密度qg，并根据下式，计算功率密度增量Aq
[0041]Aq = qs-qg。
[0042]接着，控制器203基于功率密度增量Λ q、预定外表面温度ts、特定温度、和特定速度\，并根据下式，计算撞击水量W
ττ,K K Ag
γγ =---±-
[0043]、 r V}
Cw,吨-&)+4Y
[0044]其中，K为有效系数，表征传递到空气动力表面的功率密度与加热功率密度的比值，Cw为水的比热，Le为水的蒸发潜热。
[0045]然后，控制器203基于撞击水量W、液态水含量LWC和特定速度并根据下式，计算水滴收集系数β
W
[_] P = LWCxV0


O
[0047]控制器203可以是例如微处理器。
[0048]本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，应当理解的是，上述实施方式存在许多修改方式，这些方式对相关领域技术人员来说是很明显的。这些修改/变型落入本发明的相关领域中，也应当包括在所附的权利要求的范围中。
【权利要求】
1.一种用于测量空气动力表面的水滴收集系数的方法，所述方法包括以下步骤: -在特定速度和特定温度的干空气下，以第一功率密度加热所述空气动力表面至预定外表面温度； -在所述特定速度和所述特定温度的湿空气下，以第二功率密度加热所述空气动力表面至所述预定外表面温度，所述湿空气具有特定液态水含量； -基于所述特定速度、所述特定温度、所述液态水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述预定外表面温度，获取所述空气动力表面的所述水滴收集系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定外表面温度被设置为以使得撞击到所述空气动力表面的过冷水在撞击处完全蒸发。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取步骤包括: -基于所述第二功率密度qs和所述第一功率密度qg，并根据下式，计算功率密度增量Aq
Aq = Qs-Qg ； -基于所述功率密度增量△ q、所述预定外表面温度ts、所述特定温度h和所述特定速度Vtl,并根据下式，计算撞击水量Wlex Ag W =-—---J-
Cw x(ts-10) + Le -"■



s 其中所述K为有效系数，表征传递到所述空气动力表面的功率密度与加热功率密度的比值，所述Cw为水的比热，所述Le为水的蒸发潜热； -基于所述撞击水量W、所述液态水含量LWC和所述特定速度Vtl,并根据下式，计算所述水滴收集系数β
W β 一 "_
LWCxV0


O
4.一种用于测量空气动力表面的水滴收集系数的系统，所述系统包括: 加热器组件，其设置在所述空气动力表面上，并且被配置为加热所述空气动力表面； 温度传感器组件，其设置在所述空气动力表面上，并且被配置为测量所述空气动力表面的外表面温度； 控制器，其分别耦接至所述加热器组件和所述温度传感器组件，并且被配置为: 基于所述温度传感器组件的反馈，控制所述加热器组件在特定速度和特定温度的干空气下，以第一功率密度加热所述空气动力表面至预定外表面温度； 调整所述加热器组件的功率密度，并且在所述特定速度和所述特定温度的湿空气下，以第二功率密度加热所述空气动力表面至所述预定外表面温度，所述湿空气具有特定液态水含量；以及 基于所述特定速度、所述特定温度、所述液态水含量、所述第一功率密度、所述第二功率密度和所述预定外表面温度，计算所述空气动力表面的所述水滴收集系数。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述预定外表面温度被设置为以使得撞击到所述空气动力表面的过冷水在撞击处完全蒸发。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置为: -基于所述第二功率密度qs和所述第一功率密度qg，并根据下式，计算功率密度增量Aq
Aq = Qs-Qg ； -基于所述功率密度增量△ q、所述预定外表面温度ts、所述特定温度h和所述特定速度Vtl,并根据下式，计算撞击水量W 霞 K X Aq }ψ = __?___
Cw X (is ~t0) + Le r-

L *



5 其中所述K为有效系数，表征传递到所述空气动力表面的功率密度与加热功率密度的比值，所述Cw为水的比热，所述Le为水的蒸发潜热； -基于所述撞击水量W、所述液态水含量LWC和所述特定速度Vtl,并根据下式，计算所述水滴收集系数β
W β 一_^_
LWCxV0

O
【文档编号】G01M9/06GK104296957SQ201410461886
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】史献林, 徐佳佳, 杨胜华 申请人:中国商用飞机有限责任公司, 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院