[发明专利]一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法

说明书

本发明公开了一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法，其基于相变传热和能量守恒原理，应用汉克尔变换、拉普拉斯变换等方法，通过引入流速判别法则，建立无速度约束条件的恒壁温持续性低流量供水工况管道结冰厚度显示解析算式。基于该显式解析算式，以入管道直径、无量纲冻结参数、与轴向距离有关的级数或轴向距离作为输入变量，以管道壁面温度、管道内水温及其流量作为测试量，即可获得增压供水系统稳态、低流量工况时管道结冰厚度，本发明在实际工程现场使用时，极大地提升了增压供水系统持续性低流量供水工况时管道结冰厚度检测方法的适用性和便捷性。

技术领域

本发明涉及结冰厚度检测技术领域，具体涉及一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法。

背景技术

增压供水系统，是当客机滞空时间较长时为满足乘客和空勤生理需求而设置的。随着航程和载员的增加，切实保障增压供水系统安全运行尤为关键。然而，当客机在高寒地区航线运营时，周围低温环境使得增压供水系统管内流体极易发生结冰。此时，管道内涉及到复杂的固、液两相流动，流动阻力随之增加，系统动力输送设备出力受到严重影响。特别地，当增压供水系统长时间处于稳态低流量工况(即：稳态层流)运行时，更易引起供水干管和支管发生结冰，甚至完全堵塞供水管道，导致增压供水系统空中失效。因此，准确检测低温环境下客机增压供水系统管道结冰厚度，对于精确制定管道加热策略、降低结冰导致的供水系统空中失效风险，将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，现场使用的便捷性较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种适用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法，通过测试低温环境下管道壁面温度、管道内水温及其流量，即可获得恒壁温持续性低流量供水时管道结冰厚度。

为实现上述目的，本申请提出一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法，包括：

利用超声波流量计和管道式温度传感器，测试增压供水系统稳态、低流量供水时管道内的流量Q和水温T₀；根据所述管道内的水温T₀，确定水和冰的基本物性参数，所述基本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；

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；

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；

根据管道入口到被测位置处的距离z、管道直径D、雷诺数Re、普朗特数Pr，确定无量纲距离z^*；