[发明专利]一种超声波除冰效果预测方法

说明书

本发明公开了一种超声波除冰效果预测方法，涉及超声波除冰技术领域。本发明根据超声波除冰的基本原理，定义可以定量描述结冰层界面层粘接程度的场变量，并给出此变量的演化规律控制方程，通过实验测定方程中的参数并结合破冰准则，将控制方程嵌入数值计算软件进行二次开发，可以获得到表面结冰的脱落时间和次序，由此便可以对整个除冰过程进行定量预测。本发明能够对超声波除冰效果进行预测，达到评估超声波除冰系统可行性并指导其设计的目的。

技术领域

本发明涉及超声波除冰技术领域，具体为一种超声波除冰效果预测方法，用于航空器或风力发电桨叶的除冰系统设计过程中对其除冰效果的理论预测。

背景技术

当航空器在低温、高液态水含量等特定气候条件下飞行时易发生结冰现象。航空器结冰对其飞行安全危害很大，造成升力下降、阻力上升和操纵性、稳定性等气动特性劣化。严重的结冰甚至会导致坠毁和人员伤亡的严重事故。类似地，工作在寒冷潮湿地区的风力发电机组也面临着桨叶结冰的风险。风力桨叶结冰会造成原有的气动外形设计被破坏，发生扭矩下降和抖振等现象，影响风力机组的安全运转。在发生结冰现象或有结冰风险的情况下，通常采取暂停运行的方式来规避风险，但这会降低发电效率，减少发电时数，从而造成较大的经济损失。

因此，无论是在航空工业还是风力发电等工业场合，对结冰进行及时预警和采取必要的防/除冰措施是非常必要的。

超声波除冰技术是一种新型的机械除冰技术，由于其轻质化、低成本、低能耗和结构简单紧凑等优点，在上述领域具有非常广阔的应用前景。然而，目前对超声波除冰的机理和效果的定量预测还缺乏简单可行的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，实现对超声波除冰设计系统的除冰效果的预测和评估，达到定量计算除冰时间和结冰脱落具体过程的目的，本发明提出了一种超声波除冰效果预测方法；

具体步骤如下：

步骤一、建立由超声波电源、功率放大系统和超声激振器组成的超声波除冰系统；

步骤二、针对待除冰层，定义表征待除冰层在待除冰设备的表面上剥离程度的损伤场变量D；

具体表示为：

D＝D(x₁,x₂,x₃,t) (1)

损伤场变量D的取值范围为0～1，当其为0时表示界面完好无损，当其为1时表示结冰已经剥离；x₁、x₂、x₃表示待除冰设备的表面上点的空间位置坐标；t表示时间变量。

步骤三、结合超声波除冰原理和实验规律，计算损伤场变量D的演化控制方程。

损伤场变量D的演化控制方程表示为：

其中，τ|_interface表示界面层的横向剪切应力大小；τ_th表示横向剪切应力门槛值，其大小为冰在待除冰表面上的静态粘接强度；a和m分别为常数。

步骤四、根据损伤场变量D的定义，结合损伤场变量D的演化控制方程规律给出破冰准则；

首先，针对待除冰表面某一点，计算该点的冰层脱落时的损伤场变量；

此时损伤场变量D的值为1，公式如下：

其中，表示界面上某一点的空间坐标；T表示该点结冰剥离时间。

然后，将损伤场变量D的演化控制方程积分代入该点冰层脱落时的损伤场变量D中，推知破冰准则式；

破冰准则为包含除冰时间T的隐式方程，公式如下：