一种适用于低气温环境增压供水系统低流量供水工况管道结冰厚度检测方法

1.本发明涉及结冰厚度检测技术领域，具体涉及一种适用于低气温环境增压供水系统低流量供水工况管道结冰厚度检测方法。


背景技术：

2.客机增压供水系统承担着乘客和机组人员的用水任务，在飞机巡航过程中起着重要作用。然而，随着飞行高度的上升，周围环境温度不断下降，极易造成增压供水系统管道结冰。特别是当供水流量较低时，管内水流速度也随之降低，管道结冰风险加剧，甚至堵塞管道。为此，飞机增压供水系统通常设有管道伴热装置。然而，管道结冰厚度随环境温度的变化而变化，在缺乏管道结冰厚度数据的情况下，难以制定精确的伴热方案抑制或解除管道结冰风险。若伴热系统提供热量不足，管道结冰状况无法解除。反之，则造成过裕加热引起能量浪费。因此，基于环境温度条件准确检测增压供水系统管道结冰厚度，对于保障系统安全运行、优化系统伴热设计、节约系统能量消耗等具有重要的工程价值。
3.现有飞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位展开。所采用的方法是在易发生结冰的部位安装光学式、声学式、电学式、机械式等传感器，利用传感器反馈信息判断检测部位的结冰情况。但是，有关飞机增压供水系统管道结冰检测的专利或文献报道仍非常有限，更多是围绕地面供水管道结冰厚度展开。所采用的方法，主要包括数值模拟和解析建模。其中，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，但是数值迭代需要的时间较长，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，但是关系式涉及到的输入变量较多。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。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种适用于低气温环境增压供水系统低流量供水工况管道结冰厚度检测方法，其通过测量环境温度、管道内水温及其流量，利用所建立的冰层厚度获取方法，即可获得低流量瞬态供水和稳态供水时(即：瞬态层流和稳态层流)管道结冰厚度，有效提升了结冰检测方法的适用性和便捷性。
5.为实现上述目的，本技术提出一种适用于低气温环境增压供水系统低流量供水工况管道结冰厚度检测方法，包括：
6.利用超声波流量计，获取增压供水系统管道流量q；再利用管道式温度传感器，得到增压供水系统管道内的水温t0；根据所述管道内的水温t0，确定水和冰的基本物性参数，该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tf，以及冰的导热系数λs和相变潜热l；
7.利用环境测温仪，得到增压供水系统管道所处的环境温度ta；根据所述环境温度
ta，确定空气的基本物性参数，该基本物性参数包括空气的导热系数λa、粘度υa和普朗特数pra；
8.根据所述管道内的水温t0和凝固点tf，判断管道内是否有结冰发生：若所述管道内水温t0≦tf，则判定管道内有结冰发生，需进一步检测结冰厚度；
9.根据所述管道内的水温t0、环境温度ta、空气粘度υa、重力加速度g，确定格拉晓夫数gr；
10.根据所述空气的普朗特数pra、格拉晓夫数gr，确定努塞尔特数 nu；
11.根据所述努塞尔特数nu、空气的导热系数λa、管道直径d，确定管壁与周围环境对流换热系数h；
12.连续测试增压供水系统管道流量q，若管道流量变化幅度大于设定值n，则判定供水过程流量不稳定，通过瞬态流动方式进行结冰厚度检测；若管道流量变化幅度不大于设定值n，则判定供水过程流量近似恒定，通过稳态流动方式进行结冰厚度检测。
13.进一步的，确定格拉晓夫数gr公式为：
[0014][0015]
确定努塞尔特数nu公式为：
[0016]
nu＝c(grpra)nꢀꢀꢀ
(2)
[0017][0018]
进一步的，确定管壁与周围环境对流换热系数h公式为：
[0019][0020]
进一步的，通过瞬态流动方式进行结冰厚度检测方法为：
[0021]
根据所述增压供水系统管道流量q和管道直径d，确定管道内水的平均流速v：
[0022][0023]
根据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、热扩散系数α
l
，确定普朗特数pr：
[0024][0025][0026]
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
*
：
[0027][0028]
根据管道内水的温度t0、凝固点tf、密度ρ、热扩散系数α
l
和相变潜热l，以及水和冰
的导热系数λs和λ
l
，确定无量纲液相导热系数λ
l
和无量纲固相导热系数λs：
[0029][0030][0031]
得到与无量纲距离z
*
和γm有关的级数a(z
*
)，其中γm为0阶贝塞尔函数的正根；
[0032]
根据管道内水的热扩散系数α
l
、冻结时间t(t0＝tf对应的初始时刻)、管道直径d，确定无量纲冻结时间τ；
[0033]
根据无量纲液相和固相导热系数λ
l
和λs、无量纲冻结时间τ、无量纲距离z
*
、级数a(z
*
)、管道直径d、管壁与周围环境对流换热系数h，确定无量纲冰层厚度e
*
；
[0034]
根据无量纲冰层厚度e
*
、管道直径d，确定实际冰层厚度e。
[0035]
进一步的，得到与无量纲距离z
*
和γm有关的级数a(z
*
)为：
[0036][0037]
进一步的，确定无量纲冻结时间τ的公式为：
[0038][0039]
进一步的，确定无量纲冰层厚度e
*
公式为：
[0040][0041]
确定冰层厚度e公式为：
[0042][0043]
进一步的，通过稳态流动方式进行结冰厚度检测方法为：
[0044]
利用公式(5)、(6)、(7)、(8)、(11)，分别确定管道内水的平均流速v、雷诺数re、普朗特数pr、无量纲距离z
*
和级数a (z
*
)；
[0045]
判断冰层厚度计算选择公式是否成立：若成立，启用方案1确定冰层厚度；否则，启用方案2确定冰层厚度；
[0046]
所述冰层厚度计算选择公式为：
[0047][0048]
进一步的，所述方案1为：根据级数a(z
*
)、水和冰的导热系数λ
l
和λs、水温t0、凝固点tf、环境温度ta、管道直径d、管壁与周围环境对流换热系数h，利用公式(16)，确定无量纲冰层厚度e
*
；进一步利用公式(14)，确定实际冰层厚度e；
[0049][0050]
进一步的，所述方案2为：根据级数a(z
*
)、无量纲距离z
*
、水和冰的导热系数λ
l
和λs、水温t0、凝固点tf、环境温度ta、管道直径d、管壁与周围环境对流换热系数h，利用公式(17)，确定无量纲冰层厚度e
*
；进一步利用公式(14)，确定实际冰层厚度e；
[0051][0052]
本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：本发明只需要测试供水管道所处环境温度、管道内水温及流量，即可获得低温环境下低流量短暂性供水(即：瞬态层流)和持续性供水(即：稳态层流)工况管道结冰厚度。所建立的结冰厚度获取方法涉及的过程无需进行数值迭代，输入变量所关联的测试变量仅包含环境温度、管道内水流温度及流量，检测方法具有较好的适用性和便捷性，可广泛应用于低温环境下增压供水管道结冰厚度检测。同时，该发明对于保障增压供水系统的安全运行、优化系统伴热设计、节约系统能量消耗等具有重要的指导意义。
附图说明
[0053]
图1为实施例中一种适用于低气温环境增压供水系统低流量供水工况管道结冰厚度检测方法流程图；
[0054]
图2为增压供水系统结构原理图；
[0055]
图中序号说明：1增压供水箱、2水处理器、3空气压缩机、4空气压缩机进气管道、5空气压缩机进气管道消音器、6空气过滤器、7 排气阀、8空气压缩机进气管道截止阀、9水处理供水管道、10水处理回水管道、11水处理供水管道截止阀、12增压供水管道、13增压供水管道截止阀、14超声波流量计、15管道式温度传感器、16环境测温仪。
具体实施方式
[0056]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，即所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0057]
因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0058]
实施例1
[0059]
如图1所示，本发明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，建立起基于环境温度条件检测增压供水管道结冰厚度方法。通过构建管道所处环境与管壁间对流换热计算式，引入无量纲液相和固相导热系数λ
l
和λs、无量纲冻结时间τ、无量纲距离z*、级数a(z*)等无因次参数，分别建立了低流量短暂性供水(即：瞬态层流)
和持续性供水(即：稳态层流)工况实际冰层厚度e的多变量函数关系式。最终，基于供水管道所处环境温度、管道内水流温度及流量测试数据，利用冰层厚度e的多变量函数关系式，即可获得低温环境增压供水管道结冰厚度。其具体通过一种适用于低气温环境增压供水系统低流量供水工况管道结冰厚度检测方法实现的，该方法包括：
[0060]
s1.利用超声波流量计14，获取增压供水系统管道流量q；再利用管道式温度传感器15，得到增压供水系统管道内的水温t0；根据所述管道内的水温t0，确定水和冰的基本物性参数，该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tf，以及冰的导热系数λs和相变潜热l；
[0061]
s2.利用环境测温仪16，得到增压供水管道所处的环境温度ta；根据所述环境温度ta，确定空气的基本物性参数，该基本物性参数包括空气的导热系数λa、粘度υa和普朗特数pra；
[0062]
s3.根据所述管道内的水温t0和凝固点tf，判断管道内是否有结冰发生：若所述管道内水温t0》tf，则判定管道内无结冰发生，无需检测。反之，则可判定管道内有结冰发生，需进一步检测结冰厚度。
[0063]
s4.根据所述管道内的水温t0、环境温度ta、空气粘度υa、重力加速度g、管道直径d，利用公式(1)，确定格拉晓夫数gr：
[0064][0065]
s5.根据所述空气的普朗特数pra、格拉晓夫数gr，利用公式(2) 和(3)，确定努塞尔特数nu：
[0066]
nu＝c(grpra)nꢀꢀꢀ
(2)
[0067][0068]
s6.根据所述努塞尔特数nu、空气的导热系数λa、管道直径d，利用公式(4)，确定管壁与周围环境对流换热系数h：
[0069][0070]
s7.连续测试增压供水系统管道流量q，若管道流量变化幅度大于设定值n(可以选取10％)，则判定供水过程流量不稳定，管道内流动为瞬态流动，参照s8介绍的方法进行结冰厚度检测。若管道流量变化幅度不大于设定值n(可以选取10％)，则判定供水过程流量近似恒定，管道内流动为稳态流动，参照s9介绍的方法进行结冰厚度检测；
[0071]
s8.若管道内流动为瞬态流动，所采用的结冰厚度检测方法，如下所述：
[0072]
s8-1.根据所述增压供水系统管道流量q和管道直径d，利用公式(5)，确定管道内水的平均流速v：
[0073][0074]
s8-2.根据管道内水的平均流速v、管道直径d、粘度υ，利用公式(6)，确定雷诺数
re；根据管道内水的粘度υ、热扩散系数α
l
，利用公式(7)，确定普朗特数pr：
[0075][0076][0077]
s8-3.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，利用公式(8)，确定无量纲距离z
*
：
[0078][0079]
s8-4.根据管道内水的温度t0、凝固点tf、密度ρ、热扩散系数α
l
和相变潜热l，以及水和冰的导热系数λs和λ
l
，利用公式(9)和 (10)，分别确定无量纲液相导热系数λ
l
和无量纲固相导热系数λs：
[0080][0081][0082]
s8-5.利用公式(11)，得到与无量纲距离z
*
和γm有关的级数a (z
*
)，其中γm为0阶贝塞尔函数的正根；
[0083][0084]
s8-6.根据管道内水的热扩散系数α
l
、冻结时间t(t0＝tf对应的初始时刻)、管道直径d，利用公式(12)，确定无量纲冻结时间τ：
[0085][0086]
s8-7.根据无量纲液相和固相导热系数λ
l
和λs、无量纲冻结时间τ、无量纲距离z
*
、级数a(z
*
)、管道直径d、管壁与周围环境对流换热系数h，利用公式(13)，确定无量纲冰层厚度e
*
：
[0087][0088]
s8-8.根据无量纲冰层厚度e
*
、管道直径d，利用公式(14)，确定实际冰层厚度e：
[0089][0090]
s9.若管道内流动为稳态流动，所采用的结冰厚度检测方法，如下所述：
[0091]
s9-1.利用公式(5)、(6)、(7)、(8)、(11)，分别确定管道内水的平均流速v、雷诺数re、普朗特数pr、无量纲距离z
*
和级数a(z
*
)；
[0092]
s9-2.利用公式(15)，选择冰层厚度确定方法。若公式(15) 成立，参照s9-3介绍的方法，确定冰层厚度。否则，参照s9-4介绍的方法，确定冰层厚度。
[0093][0094]
s9-3.根据级数a(z
*
)、水和冰的导热系数λ
l
和λs、水温t0、凝固点tf、环境温度ta、管道直径d、管壁与周围环境对流换热系数h，利用公式(16)，确定无量纲冰层厚度e
*
。进一步利用公式(14)，确定实际冰层厚度e。
[0095][0096]
s9-4.根据级数a(z
*
)、无量纲距离z
*
、水和冰的导热系数λ
l
和λs、水温t0、凝固点tf、环境温度ta、管道直径d、管壁与周围环境对流换热系数h，利用公式(17)，确定无量纲冰层厚度e
*
。进一步利用公式(14)，确定实际冰层厚度e。
[0097][0098]
上述方法是在增压供水系统中实施的，如图2所示，所述增压供水系统包括增压供水箱，所述增压供水箱进水口通过水处理供水管道与水处理器出口相连，该水处理器入口通过水处理回水管道连接至增压供水箱回水口；所述增压供水箱还连接有气体管路，该气体管路上设有空气压缩机进气管道截止阀和排气阀，在所述空气压缩机进气管道截止阀与排气阀直接连接有空气压缩机进气管道，该空气压缩机进气管道上设有空气压缩机，所述空气压缩机进气端部设有空气过滤器，所述空气压缩机进气管道尾部安装空气压缩机进气管道消音器；所述增压供水箱的供水口连接增压供水管道，该增压供水管道上依次设有增压供水管道截止阀、超声波流量计、管道式温度传感器，在增压供水管道旁设有环境测温仪。
[0099]
优选的，在所述水处理供水管道上设有水处理供水管道截止阀，在所述水处理回水管道上设有水处理回水管道截止阀。
[0100]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。