[发明专利]热线单元干功率计算方法及液态水含量计算方法

说明书

本发明适用于结冰风洞试验技术领域，提供了一种热线单元干功率计算方法及基于此的液态水含量计算方法，本发明先在干空气条件下标定，得到热线单元干空气努塞尔数与热线雷诺数、干空气普朗特数的拟合关系，利用该关系可以计算结冰云雾条件下热线单元的干功率，再基于干功率进一步计算液态水含量。本发明的这种方法可以实现结冰风洞中结冰云雾液态水含量的精细化计算，有效地克服了现有技术测量精度较低的技术问题，为大型结冰风洞结冰云雾精细化测量提供了重要技术支撑。

技术领域

本发明涉及结冰风洞试验技术领域，尤其是涉及一种热线单元干功率计算方法及基于此的液态水含量计算方法。

背景技术

当飞机在云层中飞行时，云层中的过冷水滴（即温度低于冰点的液态水滴）会不断撞击飞机迎风面，导致其表面发生结冰现象。飞机结冰广泛存在于飞行实践中，并严重威胁飞行安全。

结冰风洞是开展飞机结冰研究及飞机部件防除冰系统验证的重要地面试验设备，其在飞机结冰适航审定中扮演着重要角色。结冰云雾环境模拟能力是结冰风洞性能的核心内容。结冰云雾微物理特征的准确测量与评估是结冰风洞准确模拟结冰云雾环境的关键，其中云雾水含量（定义为结冰云雾中，单位体积内云雾颗粒质量）是结冰云雾重要的微物理特征之一。

基于恒温热线原理的云雾液态水含量测量方法是目前大型结冰风洞中重要的液态水含量测量方法。该原理将热线单元保持在恒定温度（一般在100℃以上），进而使撞击到热线单元表面的液滴完全蒸发，通过测量此时热线单元所需的功率，计算得到云雾液态水含量。热线单元功率由两部分组成，分别为补偿干空气对流换热损耗的功率（干功率）和补偿云雾蒸发损耗的功率（湿功率），其中湿功率直接用于计算云雾液态水含量。由此可见，准确获得热线单元干功率是准确计算云雾液态水含量的关键。

目前，通常采用两种方法获得热线单元干功率：（1）去皮法。测量喷雾前（无云雾状态）热线单元功率，同时假设喷雾后，干功率不发生变化，将此功率作为整个试验过程中的热线干功率。（2）补偿法。该方法通常在测量热线单元后部增加一根补偿热线单元，通过巧妙设计补偿探头位置，使得云雾颗粒不会撞击到补偿热线表面，使得该热线仅能测量干空气功率，进而标定获得测量热线与补偿热线干功率间的函数关系，最终在实验过程中，通过补偿热线单元测量功率计算测量热线单元的干功率。

但是，以上两种方法均存在明显缺陷。对于皮法，实验过程气流参数难免会发生变化，因此该方法核心假设难以完全成立，显著影响测量精度。对于补偿法，尽管通过增加补偿热线，可以有效捕捉到实验过程中流场参数变化造成的干功率的变化，但是实验过程中，测量热线单元的温度以及其与补偿热线间的标定关系通常会发生一定变化，这些变化会降低该方法得到的干功率可靠性。

因此，为系统解决大型结冰风洞中复杂结冰云雾液态水含量的精细化测量问题，突破热线水含量测量仪干功率及液态水含量精细化计算瓶颈，亟需发展一种全面考虑热线单元性能参数以及流场条件的干空气功率计算方法，从而提高云雾液态水含量计算精准度。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明针对大型结冰风洞中结冰云雾，建立了基于牛顿冷却方程的干功率标定和计算方法，提出了一种基于热线原理的液态水含量精细化计算方法。

本发明是这样实现的，一种热线单元干功率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10. 实验采集热线单元干空气条件标定数据

采集干空气条件下不同工况的热线单元功率P、热线温度T_w、气流速度V_a、气流静温T_s；

S20. 计算热线单元干空气努塞尔数Nu：

其中，k为干空气热传导系数，l_w为热线长度，π为圆周率；

S30. 获得热线单元干空气努塞尔数的拟合系数