飞机结冰与防冰技术 林贵平 编 2016年版

飞机结冰与防冰技术
作者：林贵平 编
出版时间：2016年版
内容简介
　　飞机在结冰气象条件下飞行时，会在其表面产生结冰现象。飞机结冰会严重威胁飞机的飞行安全。飞机结冰与防冰技术涉及流体力学、热力学、多相流等多学科，本书立足飞机防（除）冰技术的新进展，系统介绍飞机结冰现象、防（除）冰方法及相关的基础理论和数值模拟方法。内容包括：飞机结冰现象及机理、飞机防（除）冰方法、水滴撞击特性、飞机结冰过程分析、热气防冰系统设计及热力分析、直升机结冰与防冰、飞机结冰探测、飞机结冰与防（除）冰试验，以及飞机透明表面防冰、防雾等。本书既可作为高等院校相关专业高年级本科生、研究生的教材，也可供从事相关领域研究的工程技术人员参考。
目录
第1章　飞机结冰现象及机理…………………………………………………………………… 11．1　飞机结冰现象…………………………………………………………………………… 11．1．1　基本概念…………………………………………………………………………… 11．1．2　结冰种类…………………………………………………………………………… 21．1．3　结冰部位…………………………………………………………………………… 41．1．4　结冰强度…………………………………………………………………………… 51．2　飞机结冰气象条件……………………………………………………………………… 61．2．1　云的种类状态……………………………………………………………………… 61．2．2　云中的过冷水滴…………………………………………………………………… 81．2．3　水滴粒径分布……………………………………………………………………… 91．3　影响飞机结冰的物理因素……………………………………………………………… 101．3．1　水滴直径…………………………………………………………………………… 101．3．2　液态水含量………………………………………………………………………… 111．3．3　空气温度…………………………………………………………………………… 111．3．4　飞行高度…………………………………………………………………………… 121．3．5　云层的水平距离…………………………………………………………………… 121．3．6　地形因素…………………………………………………………………………… 121．3．7　季节因素…………………………………………………………………………… 121．3．8　与飞机有关的因素………………………………………………………………… 121．4　飞机结冰设计规范……………………………………………………………………… 141．4．1　结冰气象参数统计数据…………………………………………………………… 141．4．2　传统结冰气象设计标准…………………………………………………………… 141．4．3　新增结冰气象设计标准…………………………………………………………… 201．5　结冰对飞机性能的影响………………………………………………………………… 251．5．1　升力面结冰………………………………………………………………………… 251．5．2　发动机结冰………………………………………………………………………… 271．5．3　其他部位结冰……………………………………………………………………… 28参考文献……………………………………………………………………………………… 28第2章　飞机防(除)冰方法…………………………………………………………………… 302．1　热防冰系统……………………………………………………………………………… 302．1．1　概　述……………………………………………………………………………… 302．1．2　热气防冰系统……………………………………………………………………… 322．1．3　电热防(除)冰系统………………………………………………………………… 352．2　液体防冰系统…………………………………………………………………………… 372．2．1　液体防冰原理……………………………………………………………………… 372．2．2　防冰液的选择……………………………………………………………………… 372．2．3　防冰液的分配方法………………………………………………………………… 382．3　机械除冰系统…………………………………………………………………………… 402．3．1　膨胀管除冰………………………………………………………………………… 402．3．2　电脉冲除冰系统…………………………………………………………………… 412．4　防(除)冰新方法………………………………………………………………………… 442．4．1　记忆合金除冰……………………………………………………………………… 442．4．2　疏水材料防冰……………………………………………………………………… 452．5　典型飞机的防(除)冰系统……………………………………………………………… 452．5．1　波音787飞机的防冰系统………………………………………………………… 452．5．2　ARJ21飞机的防冰系统………………………………………………………… 46参考文献……………………………………………………………………………………… 47第3章　水滴撞击特性………………………………………………………………………… 483．1　基本概念………………………………………………………………………………… 483．1．1　水滴撞击极限……………………………………………………………………… 493．1．2　总收集系数………………………………………………………………………… 493．1．3　局部水收集系数…………………………………………………………………… 503．1．4　水滴遮蔽区………………………………………………………………………… 513．1．5　水滴撞击特性计算方法…………………………………………………………… 513．2　空气流场计算…………………………………………………………………………… 523．2．1　质量守恒方程……………………………………………………………………… 533．2．2　动量守恒方程……………………………………………………………………… 533．2．3　能量守恒方程……………………………………………………………………… 553．3　拉格朗日法计算水滴撞击特性………………………………………………………… 563．3．1　水滴运动轨迹方程………………………………………………………………… 563．3．2　运动方程的数值求解……………………………………………………………… 583．3．3　拉格朗日法计算局部水收集系数………………………………………………… 623．4　欧拉法计算水滴撞击特性……………………………………………………………… 633．4．1　概念引入…………………………………………………………………………… 633．4．2　欧拉法计算模型…………………………………………………………………… 633．4．3　数值求解及实现方法……………………………………………………………… 653．4．4　欧拉法计算局部水收集系数……………………………………………………… 673．5　水滴撞击特性影响参数………………………………………………………………… 673．5．1　飞行速度的影响…………………………………………………………………… 683．5．2　水滴直径结果分析………………………………………………………………… 683．5．3　几何形状的影响…………………………………………………………………… 693．6　过冷大水滴撞击特性…………………………………………………………………… 703．6．1　过冷大水滴动力学现象…………………………………………………………… 703．6．2　过冷大水滴运动模型……………………………………………………………… 71参考文献……………………………………………………………………………………… 74第4章　飞机结冰过程分析…………………………………………………………………… 764．1　基本概念………………………………………………………………………………… 764．1．1　结冰过程数值分析步骤…………………………………………………………… 764．1．2　结冰热力学分析…………………………………………………………………… 774．2　空气流场与水滴撞击特性计算………………………………………………………… 774．3　结冰热力学分析………………………………………………………………………… 774．3．1　控制容积的质量守恒……………………………………………………………… 784．3．2　控制容积的能量守恒……………………………………………………………… 804．3．3　结冰系数f 的求解……………………………………………………………… 834．3．4　冰形计算…………………………………………………………………………… 844．4　结冰过程对流换热系数的计算………………………………………………………… 864．4．1　表面粗糙度的计算………………………………………………………………… 864．4．2　粗糙壁面附面层积分法…………………………………………………………… 874．4．3　CFD方法………………………………………………………………………… 894．5　飞机结冰过程影响因素分析………………………………………………………… 1004．5．1　环境温度对结冰的影响………………………………………………………… 1004．5．2　平均容积直径(MVD)对结冰的影响…………………………………………… 1034．5．3　结冰时间的影响………………………………………………………………… 1034．5．4　液态水含量(LWC)对结冰的影响……………………………………………… 1034．6　现行结冰计算软件介绍……………………………………………………………… 1054．6．1　LEWICE ………………………………………………………………………… 1054．6．2　FENSAPＧICE …………………………………………………………………… 106参考文献……………………………………………………………………………………… 107第5章　热气防冰系统设计及热力分析……………………………………………………… 1095．1　防冰系统设计严酷状态点及防护区域的确定……………………………………… 1095．1．1　严酷状态点的确定……………………………………………………………… 1095．1．2　防护区域的确定………………………………………………………………… 1105．2　防冰热载荷…………………………………………………………………………… 1105．2．1　防冰热载荷计算………………………………………………………………… 1115．2．2　溢流水…………………………………………………………………………… 1135．3　防冰表面传热系数计算……………………………………………………………… 1155．3．1　附面层的概念…………………………………………………………………… 1155．3．2　对流换热系数求解方法………………………………………………………… 1165．4　供气管路的计算……………………………………………………………………… 1185．4．1　供气管路的温降计算…………………………………………………………… 1195．4．2　供气管路的压降计算…………………………………………………………… 1205．4．3　笛形管热气喷口流量及喷口压力损失计算…………………………………… 1235．5　防冰腔结构设计及热效率计算……………………………………………………… 1265．5．1　防冰腔结构设计………………………………………………………………… 1265．5．2　防冰腔内热气流动与换热模拟………………………………………………… 1265．6　热气防冰腔内外耦合传热计算……………………………………………………… 1275．7　典型参数对表面温度的影响………………………………………………………… 1305．7．1　表面温度和溢流水结果总体分析……………………………………………… 1305．7．2　水滴直径的影响………………………………………………………………… 1315．7．3　液态水含量的影响……………………………………………………………… 1325．7．4　环境温度的影响………………………………………………………………… 1345．7．5　攻角的影响……………………………………………………………………… 135参考文献……………………………………………………………………………………… 137第6章　直升机结冰与防冰…………………………………………………………………… 1396．1　直升机结冰…………………………………………………………………………… 1396．1．1　直升机结冰的危害……………………………………………………………… 1396．1．2　直升机结冰的特点……………………………………………………………… 1406．2　直升机防(除)冰系统………………………………………………………………… 1426．2．1　液体防冰系统…………………………………………………………………… 1426．2．2　电热除冰系统…………………………………………………………………… 1426．3　直升机电热除冰系统设计…………………………………………………………… 1446．3．1　设计状态的确定………………………………………………………………… 1446．3．2　除冰防护区的确定……………………………………………………………… 1456．3．3　加热片的分区方式……………………………………………………………… 1466．3．4　加热功率及除冰控制规律设计………………………………………………… 1486．3．5　黑鹰直升机除冰系统…………………………………………………………… 149参考文献……………………………………………………………………………………… 151第7章　飞机结冰探测………………………………………………………………………… 1527．1　飞机结冰探测系统的基本概念……………………………………………………… 1527．1．1　冰和结冰条件探测……………………………………………………………… 1527．1．2　结冰系数的考虑………………………………………………………………… 1547．1．3　水滴飞溅、溢流和脱落的考虑…………………………………………………… 1547．1．4　安装位置的考虑………………………………………………………………… 1547．1．5　其他考虑因素…………………………………………………………………… 1557．1．6　结冰探测器指示方法…………………………………………………………… 1567．2　常用结冰探测器……………………………………………………………………… 1567．2．1　常用结冰方法简介……………………………………………………………… 1567．2．2　谐振结冰探测器………………………………………………………………… 1577．2．3　光学法结冰探测器……………………………………………………………… 160参考文献……………………………………………………………………………………… 163第8章　飞机结冰与防(除)冰试验…………………………………………………………… 1648．1　概　述………………………………………………………………………………… 1648．2　结冰与防冰试验方法………………………………………………………………… 1658．2．1　冰风洞试验……………………………………………………………………… 1658．2．2　干空气飞行试验………………………………………………………………… 1658．2．3　模拟结冰飞行试验……………………………………………………………… 1668．2．4　自然结冰飞行试验……………………………………………………………… 1678．2．5　其他地面模拟试验……………………………………………………………… 1698．3　冰风洞试验技术……………………………………………………………………… 1708．3．1　常规风洞………………………………………………………………………… 1708．3．2　冰风洞…………………………………………………………………………… 1728．3．3　参数测量………………………………………………………………………… 1758．4　相似准则……………………………………………………………………………… 1828．4．1　流场相似………………………………………………………………………… 1838．4．2　水滴运动轨迹相似……………………………………………………………… 1838．4．3　表面水收集量相似……………………………………………………………… 1868．4．4　结冰表面热力学相似…………………………………………………………… 1878．4．5　相似方法………………………………………………………………………… 188参考文献……………………………………………………………………………………… 191第9章　飞机透明表面防冰、防雾…………………………………………………………… 1939．1　风挡防冰……………………………………………………………………………… 1939．1．1　电热防冰………………………………………………………………………… 1939．1．2　热气防冰………………………………………………………………………… 1969．1．3　液体防冰………………………………………………………………………… 1989．1．4　小　结…………………………………………………………………………… 1989．2　风挡防冰热载荷及其影响因素……………………………………………………… 1999．2．1　水收集系数与防冰载荷计算…………………………………………………… 1999．2．2　风挡防冰热载荷的影响因素…………………………………………………… 2009．3　透明表面防雾………………………………………………………………………… 2019．3．1　物化法防雾……………………………………………………………………… 2029．3．2　加热法防雾……………………………………………………………………… 2029．4　波音787型飞机的风挡防冰、防雾系统……………………………………………… 203参考文献……………………………………………………………………………………… 205附录A　流体外掠平板对流换热附面层积分方程求解……………………………………… 206附录B　刘易斯冰风洞………………………………………………………………………… 209附录C　饱和水蒸气、干空气物性及常用材料物性参数表……………………………………… 211