飞机电热除冰非稳态过程预测方法、装置及介质

本发明涉及飞机和发动机电热除冰，更具体地，涉及一种飞机电热除冰非稳态过程预测方法、装置及介质。

背景技术：

1、飞机结冰现象严重威胁飞行安全，需要采用一定的结冰防护方法进行应对。电热防/除冰系统具有加热效率高、结构较为简单、易于控制和监测的特点，是未来结冰防护的重要发展方向。

2、在电热防/除冰系统设计研究中，自然结冰条件下对飞机进行飞行防除冰符合性认证测试具有挑战性。机翼蒙皮的电热除冰效果不仅受到飞行条件和气象参数的影响，还由电热除冰系统的加热及控制规律所决定，因此电热除冰过程是在一个涉及多物理现象的复杂的非稳态热力学过程。建立飞机电热除冰非稳态过程的预测模型和方法，对飞机电热除冰系统的设计与验证具有重要意义。

3、现有电热除冰过程的仿真模型与算法中，对考虑冰脱落的表面溢流水结冰-融冰-冰脱落的完整研究较少，而冰脱落对电热除冰非稳态过程的影响非常重要，冰层在加热过程中融化脱离行为需要深入的探讨并考虑到除冰过程的预测中。

技术实现思路

1、提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种飞机电热除冰非稳态过程预测方法、装置及介质，将冰层在加热过程中融化脱离行为考虑到除冰过程的预测中，从而获得除冰过程中的表面温度、结冰厚度的瞬时变化结果，为除冰效果分析及电加热除冰策略设计提供理论依据

2、本发明采用如下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种飞机电热除冰非稳态过程预测方法，所述方法包括：

4、步骤1，根据物体表面的传热传质过程，建立控制体质量守恒方程以及控制体能量守恒方程，对所述控制体质量守恒方程以及所述控制体能量守恒方程进行求解，获得控制体的除冰热载荷；

5、步骤2，建立固壁导热方程，以控制体的除冰热载荷作为外部边界，并根据电加热除冰控制策略提供电加热热流密度，得到表面温度，所述表面温度为步骤1中控制体质量守恒方程以及控制体能量守恒方程的求解提供温度边界；

6、步骤3，在单个时间步长内，不断迭代执行步骤1和步骤2，得到所述时间步长下的结冰或融冰速率、表面温度；

7、步骤4，根据脱落判断依据判断是否发生脱冰，更新结冰厚度；

8、步骤5，在当前时间步长发生脱冰时，重复步骤1至步骤4，计算下一个时间步长的结冰-融冰-脱落过程，最终得到整个电热除冰过程中表面积冰厚度以及表面温度随时间的变化。

9、优选的，所述控制体质量守恒方程表示为：

10、

11、式中，和分别为物体表面上由于溢流流入和流出控制体的水量；为水撞击到控制体的质量流量；为从控制体蒸发的质量流量；为冻结成冰的质量流量，当电加热过程存在融冰时，为负。

12、优选的，所述控制体能量守恒方程表示为：

13、

14、式中，为对流换热热流密度；为蒸发散热热流密度；为加热收集水所需热流密度；为水滴动能转换的热流密度；为蒙皮导热给表面施加的加热热流密度；和分别为流入和流出控制体的溢流水的单位面积焓值；为结冰放热热流，存在于电热除冰冷却过程时的溢流结冰，当电热除冰加热过程时，结冰融化，此时代表积冰融化吸热热流。

15、优选的，所述步骤4，根据脱落判断依据判断是否发生脱冰，更新结冰厚度，包括：

16、建立冰脱落模型作为脱落判断依据；其中，所述冰脱落模型包括物理模型和经验模型；

17、所述物理模型表示加热分区在表面积冰受到空气剪切力和积冰粘附力的控制下，当空气流场作用于积冰表面的合力大于积冰与表面之间的粘附力时，判断所述加热分区的积冰脱落；

18、所述经验模型表示加热分区在水膜长度与积冰长度之间的比值大于极限值时，判断所述加热分区的积冰从结构表面脱落。

19、优选的，所述冰脱落模型表示为：

20、

21、式中：ice-shedding表示积冰脱落综合判据，fτ表示空气流场作用于积冰表面的合力，fadhesion表示积冰粘附力，lf表示水膜长度，lt表示积冰长度。

22、优选的，所述步骤4，根据脱落判断依据判断是否发生脱冰，更新结冰厚度，还包括：

23、在每个时间步长内计算达到收敛后，获取控制体结冰的质量mass_ice与结冰/融冰速率mso；

24、根据控制体结冰的质量mass_ice与结冰/融冰速率mso，确定每个时间步长内的各个加热分区所处状态；其中，所处状态包括结冰状态和不结冰状态；

25、在加热分区处于结冰状态的情况下，对所述加热分区的空气剪切力与粘附力进行积分，同时计算所述加热分区的水膜长度；基于所述脱落判断依据，判断所述加热分区内空气剪切力与积冰粘附力相对大小，和/或判断水膜长度与积冰长度之间的比值，若满足脱落判据，则冰脱落且表面结冰质量清零。

26、优选的，根据控制体结冰的质量mass_ice与结冰/融冰速率mso，确定每个时间步长内的各个加热分区所处状态，包括：

27、若mass_ice>0，mso<0，则确定加热区分处于第一状态，所述第一状态表示表面有积冰存在，同时加热热流使得表面处于积冰融化的两相状态，壁面处积冰与表面之间有水膜，控制体的积冰粘附力fadhesion＝0；

28、若mass_ice>0，mso≥0，则确定加热区分处于第二状态，所述第二状态表示表面存在积冰，表面溢流水产生冻结，控制体存在积冰粘附力；

29、若mass_ice＝0，mso<0，则确定加热区分处于第三状态，所述第三状态表示表面没有积冰，同时加热热流使得表面处于融冰状态，温度ts>273.15k，表面处于液相，积冰表面粘附力fadhesion＝0；

30、若mass_ice＝0，mso＝0，则确定加热区分处于第四状态，所述第四状态表示表面没有积冰，积冰表面粘附力fadhesion＝0。

31、优选的，基于所述脱落判断依据，判断所述加热分区内空气剪切力与积冰粘附力相对大小，和/或判断水膜长度与积冰长度之间的比值，若满足脱落判据，则冰脱落且表面结冰质量清零，包括：

32、先判断所述加热分区内空气剪切力与积冰粘附力相对大小，若满足脱落判据，则确定冰脱落且表面结冰质量清零；若不满足脱落判据，再次判断水膜长度与积冰长度之间的比值，若满足判断依据，则确定冰脱落且表面结冰质量清零。

33、根据本发明的第二方面，提供一种飞机电热除冰非稳态过程预测装置，所述装置包括：

34、溢流相变模块，被配置为电路模型构建单元，被配置为根据物体表面的传热传质过程，建立控制体质量守恒方程以及控制体能量守恒方程，对所述控制体质量守恒方程以及所述控制体能量守恒方程进行求解，获得控制体的除冰热载荷；

35、导热计算模块，被配置为建立固壁导热方程，以控制体的除冰热载荷作为外部边界，并根据电加热除冰控制策略提供电加热热流密度，得到表面温度，所述表面温度为步骤1中控制体质量守恒方程以及控制体能量守恒方程的求解提供温度边界；

36、速率及温度分布计算模块，被配置为在单个时间步长内，令溢流相变模块和导热计算模块迭代执行计算操作，得到所述时间步长下的结冰或融冰速率、表面温度；

37、脱落判断模块，被配置为根据脱落判断依据判断是否发生脱冰，更新结冰厚度；

38、迭代计算模块，被配置为在当前时间步长发生脱冰时，控制溢流相变模块、导热计算模块、速率及温度分布计算模块和脱落判断模块工作，以计算下一个时间步长的结冰-融冰-脱落过程，最终得到整个电热除冰过程中表面积冰厚度以及表面温度随时间的变化。

39、根据本发明的第三方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的方法。

40、本发明至少具有以下有益效果：

41、本发明通过对冰脱落现象进行物理建模，引入冰层在加热过程中的脱落行为，结合电热除冰过程中的结冰-融冰数学模型，建立了完整的电热除冰系统结冰-融冰-脱冰模型和计算方法，能够获得除冰过程中的表面温度、结冰厚度的瞬时变化结果。