【摘 要】
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当民用客机空中巡航或在停机坪上停泊时,周围低温环境极易致使增压供水管路结冰而发生管路堵塞。虽然针对民用客机机翼等部位的结冰特性已大量公开,但是关于民用客机内部供水管路结冰特性的已公开研究较少。由此导致现阶段防结冰加热装置提供的热量与管路融冰实际所需热量不匹配,增压供水系统失效风险加剧,过渡加热引起的能源浪费严重。鉴于此,本文开展民用客机增压供水管路结冰特性研究。首先,选取民用客机增压供水管路为研究
【基金项目】
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中央高校基本科研业务费交叉探索科研专题(编号:DUT19JC15);
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当民用客机空中巡航或在停机坪上停泊时,周围低温环境极易致使增压供水管路结冰而发生管路堵塞。虽然针对民用客机机翼等部位的结冰特性已大量公开,但是关于民用客机内部供水管路结冰特性的已公开研究较少。由此导致现阶段防结冰加热装置提供的热量与管路融冰实际所需热量不匹配,增压供水系统失效风险加剧,过渡加热引起的能源浪费严重。鉴于此,本文开展民用客机增压供水管路结冰特性研究。首先,选取民用客机增压供水管路为研究对象,基于凝固熔化理论,采用焓-孔隙度法方法,建立适用于详细量化民用客机增压供水管路结冰过程多场耦合特征的数值模型。其次,基于相变传热理论,采用分离变量、拉氏变换及汉克尔变换等数学方法,建立不同流态及热边界条件下适用于快速检测民用客机增压供水管路结冰厚度的解析模型。同时,利用平行平板间水流结冰实验,验证所建立的数值模型和解析模型的准确性。最后,以某民用客机增压供水管路为例,利用所建立的数值模型,分析客机停泊时不同室外温度、巡航时不同巡航高度以及不同舱段内管路结冰特征,据此给出民用客机供水增压管路防结冰技术方案建议。研究结果表明,本文所建立的数值模型和解析模型,能够准确预测出层流和湍流流态不同热边界条件下增压供水管路内流场、温度场及冰层厚度分布,其相对误差可基本控制在±10%以内。结合计算结果分析可知,停机坪环境温度、飞机巡航高度及供水管路所处舱段,均会对管路内水流结冰产生显著影响。当飞机处于停泊状态时,增压供水管路内冰层厚度随着室外温度的降低而增大。当室外温度低于-35℃时,处于中央翼/主起落架舱附近舱段内增压供水管路的最大结冰厚度高达6.74 mm,占管路横向流通截面积的91.45%;当飞机处于巡航状态时,增压供水管路内冰层厚度随着巡航高度的升高而增大。若机舱内用水点低流量用水(即:层流流动),当巡航高度为10720 m时,管内最大结冰厚度为6.45 mm,占管路横向流通截面积的89.58%。若机舱内用水点高流量用水(即:湍流流动),当巡航高度为10720 m时,管内最大结冰厚度为0.60 mm,占管路横向流通截面积的12.20%;当巡航高度一定时,不同舱段内供水管路结冰厚度存在显著差异。当用水点低流量用水时(即:层流流动),水废水舱、后货舱/散货舱三角区、中央翼/主起落舱附近舱段、再循环风扇舱三角区及前货舱三角区舱段增压供水管路内均有结冰,其中中央翼/主起落舱附近舱段内管路冰层厚度最大。随着用水点用水流量的增大(即:湍流流动),水/废水舱段内管路结冰现象消失,但在其它舱段内仍有不同程度的结冰现象出现。由此可见,本文所建立的数值模型和解析模型,可用于详尽分析和快速获知增压供水管路内结冰厚度的非均匀分布,其对于精准建立管路加热方案、有效降低系统失效风险具有重要的理论意义和应用价值。
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