[发明专利]一种基于管壁温度条件检测瞬态增压供水管道结冰厚度方法

说明书

本发明公开了一种基于管壁温度条件检测瞬态增压供水管道结冰厚度方法，其基于相变传热和能量守恒原理，应用汉克尔变换和拉普拉斯变换方法，建立短暂性、低流量供水时(即：瞬态层流)管道结冰厚度解析模型。以该解析模型为计算依据，以管道壁面温度、管道内水温及其流量作为检测量。解决了有关客机增压供水管道结冰检测难题，提升了检测方法的适用性和便捷性，同时对于制定精准的管道伴热方案、降低客机增压供水系统失效风险具有重要工程价值。

技术领域

本发明涉及结冰厚度检测技术领域，具体涉及一种基于管壁温度条件检测瞬态增压供水管道结冰厚度方法。

背景技术

客机作为现代出行交通工具，应用范围愈加广泛。当客机滞空时间较长时，为满足乘客和空勤生理需求应设置增压供水系统。然而，当客机高空巡航或停机坪停泊时，周围低温环境易导致增压供水系统管道结冰。特别是当供水流量较低、供水时间较短时，管道内水流动缓慢，结冰甚至管道堵塞风险显著升高。为了防止低温环境下客机增压供水管道结冰，电伴热是目前采用的主要预防或解除措施。但是，由于对管内结冰程度未知，现有伴热方式提供的热量难以与实际需求精确匹配。若加热不足，会造成管道结冰或堵塞，反之则引起能量浪费。因此，准确检测低温环境下客机增压供水管道结冰厚度，对于管道伴热系统的设计与运行具有重要的工程价值。

目前，民用客机结冰检测主要围绕机翼、发动机短舱、大气数据探测仪等部件展开。所采用的方法主要是在相应位置安装光学式、电学式、机械式等结冰传感器，根据传感器反馈信息实时辨识结冰情况。但是，有关客机增压供水管道的结冰探测方法，却鲜有文献和专利报道。现阶段，更多是以地面供水管道结冰为对象，所包含的方法有数值模拟和解析建模。数值模拟方法虽然能够准确预测不同热边界条件下的结冰厚度，但是数值迭代所需要的时间较长，并不适合工程现场检测，缺乏实施的适用性。解析建模方法是基于相变传热和能量守恒原理，建立无量纲固液界面位置与轴向距离和冻结时间关系，但是关系式涉及变量较多。若应用于实际管道结冰检测，需要安装的仪器设备和测试参数数量也随之增多，故现场使用的便捷性较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于管壁温度条件检测瞬态增压供水管道结冰厚度方法，其通过测试低温环境下管道壁面温度、管道内水温及其流量，即可获得短暂性供水工况管道瞬态结冰厚度。

为实现上述目的，本申请提出一种基于管壁温度条件检测瞬态增压供水管道结冰厚度方法，包括：

利用超声波流量计和管道式温度传感器，测试增压供水系统供水时管道内的水温T₀和流量Q；根据所述管道内的水温T₀，确定水和冰的物性参数，所述物性参数包括水的密度ρ、粘度υ、导热系数λ_L、热扩散系数α_L和凝固点T_f，以及冰的导热系数λ_S和相变潜热L；并确定管道入口到被测位置处的距离z；

通过贴片式温度传感器，测试管道壁面温度T_w，若所述管道壁面温度T_w≦T_f，则判定管道内有结冰发生，需进一步检测结冰厚度；

根据管道流量Q和管道直径D，确定管道内水的平均流速V，其公式为：

根据所述管道内水的平均流速V、管道直径D、粘度υ，确定雷诺数Re；根据管道内水的粘度υ和热扩散系数α_L，确定普朗特数Pr；

根据所述管道内水的温度T₀、凝固点T_f、密度ρ、导热系数λ_L、热扩散系数α_L和相变潜热L，确定无量纲液相导热系数Λ_L；根据管道内水的热扩散系数α_L、冻结时间t(T_w＝T_f对应时刻)、管道直径D，确定无量纲冻结时间τ；