基于超声微振动的风力机叶片除冰研究

风力机在寒冷潮湿地区工作时,叶片表面会产生积冰,降低叶片气动性能。为减少或去除积冰,提高风力机发电效率,本文开展了风力机叶片超声微振动除冰研究。设计了前缘为中空结构的翼型叶片,仿真计算了除冰振型,制作了叶片样件,测量了样件的固有频率。搭建了冰风洞试验系统和超声驱动系统,研制了一款翼型叶片冰层切向黏结力测量装置,开展了叶片超声微振动结冰时除冰和结冰后除冰研究,测量并计算了叶片表面结冰量和冰层黏结剪应力。研究结果表明,当结冰环境温度较高时,叶片结冰时超声微振动可以降低结冰量,具有除冰作用。在结冰后除冰中,可以显著降低冰层黏结强度。激振频率为21.2 kHz时,黏结强度最低,约为0.084 MPa。本研究为深入开展风力机叶片超声除冰技术奠定了基础。     

合成双射流控制机翼水滴撞击特性

在低速来流条件下,针对前缘位置嵌有合成射流/合成双射流激励器的机翼的水滴撞击特性开展了数值模拟研究,基于Fluent软件,采用Euler气液两相模型和欧拉壁面液膜（Eulerian wall film,EWF）模型,得到的计算结果表明:在合成射流或合成双射流的主动控制下,阻挡了机翼前缘等积冰重点防护区域内的水滴撞击,从而大幅降低了该区域的结冰强度.其机理是:在高频合成射流的作用下,机翼前缘上游附近形成了一对稳定的闭合回流区,形成了水滴的"真空区域".由于回流区内部水滴速度和质量分数较低,改变了机翼前缘水滴运动轨迹和水滴收集率分布,能够减少机翼前缘结冰程度并改变冰形,起到了虚拟气动外形的作用.      

过冷水滴撞击螺旋桨桨叶表面的数值模拟

本文介绍了某型螺旋桨在不同飞行状态下.求解桨叶水滴撞击特性的数值方法.该方法对桨叶运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用拉格朗日方法求解气流场中水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对桨叶的撞击特性参数,为桨叶防冰系统设计提供条件.主要结论如下:(1)在巡航状态下,桨叶沿展向方向上总收集系数Em和局部收集系数β不断增大;(2)在爬升状态下,随着爬升高度H不断增大,飞行速度V0不断增大,水滴撞击在桨叶表面的范围有所增加,而且β随之增大;(3)随着水滴平均有效直径(MVD)的增大,水滴撞击在桨叶表面的范围明显增加同时,β在桨叶表面同一位置的值也随之增大.     

基于偏振成像的复杂反射率冰形三维测量

飞机机翼结冰是飞行安全的重要隐患,防冰除冰研究对于飞行器动力性能评估、安全评估等有着非常重要的意义,而准确地测量结冰外形是研究机翼结冰的基础。不同于普通物体,冰体具有复杂的反射率,冰面杂散光较为严重,传统方法难以精确提取冰面的中心线。为此,提出了一种基于偏振成像技术的复杂反射率冰形测量方法,利用偏振特性解决冰面杂散光的问题。将偏振相机捕获的原始图像分离并插值,逐像素筛选最大特征值及其特征向量,融合为最优的偏振信息,并基于Steger算法提取激光中心线,实现冰形三维重建。实验结果表明,对平板形冰面测量误差的标准差为0.123 7 mm,所提方法能够有效地重建出具有复杂反射率的冰形三维形貌。     

微波沥青路面除冰斜角辐射喇叭天线设计

 为拓展微波加热的应用领域，对微波路面除冰进行了研究。为使辐射天线与沥青负载近距离达到较好匹配，改善加热区域，减少波导阵列的加热盲区，设计了矩形口径喇叭。在此基础上，还设计了带有不同倾斜角的斜角喇叭，测试了斜角喇叭天线在沥青混合料为加热负载时的驻波比，做了实际的加热对比实验。对实验结果进行了分析，得到不同斜角喇叭在沥青料加热中的性能和使用高度,发现15°斜角喇叭符合微波除冰等近距离加热要求。     

CO2激光热熔法除冰的研究

介绍了CO2激光在高压线除冰中的实验研究情况.由于直接热融法除冰效率较低,提出了激光热融加上冰块自身重力脱落法除冰的实验方案.利用功率为35 W的CO2激光照射冰块与绝缘子的接触面,降低其粘结力以致整体脱落从而达到除冰的目的,测得除去1 kg冰需要90kJ的能量,耗时26 min.     

输电线路爆破除冰动态特性

为研究输电线路爆破除冰效果及动态特性,进行了50 m孤立档输电线路爆破除冰模型实验,采用人工覆冰方式,通过引爆预设在输电线下侧的导爆索去除部分线路覆冰,测量了爆破除冰过程中三种输电线档中位移和端部动张力,并将爆破载荷简化为三角波载荷,利用有限元软件ABAQUS对实验工况进行了模拟验证;进一步利用模拟方法研究了爆破除冰量为20%时除冰位置对跳跃幅值和动张力的影响。结果表明:对于雨凇,爆破作用只会引起输电线爆破区域的覆冰脱落;爆破除冰时跳跃幅值和动张力幅值均大于相同位置自然脱冰,而随除冰位置的变化趋势与自然脱冰相似;与导线相比,地线光缆的跳跃幅值受爆破作用影响更显著。     

冲击载荷下导线覆冰脱落过程的数值模拟

采用ABAQUS有限元软件建立输电线路有限元模型,模拟研究单档覆冰导线在冲击载荷作用下的除冰过程。覆冰破坏采用拉伸破坏准则,利用ABAQUS的用户材料子程序VUMAT,定义覆冰的本构关系并实现覆冰破坏单元删除的判定。进一步模拟研究在不同冲击载荷幅值、线路档距和覆冰厚度等条件下的除冰率,结果表明:除冰率随冲击载荷幅值的增加而增大;覆冰厚度和档距越小,除冰率越大;连续档线路需要更大的冲击载荷才能达到较好的除冰效果。所得结果可以为机械式除冰装置的设计提供参考。     

合成热射流除霜除冰实验

实验研究了水滴在冷表面结冰结霜,以及合成热射流除霜除冰过程.实验中采用-30.0℃的半导体制冷片作为制冷源,将水滴滴在半导体制冷片的标定位置,在水滴完全结冰结霜且形态不再改变后,合成热射流激励器工作.利用电子显微镜观测并记录合成热射流除霜除冰的整个过程.结果显示:合成热射流能够完全除去结霜冰滴表面的霜,并且能将凝固水滴完全融化为透明的水滴.并且与合成双射流除霜效果相比,合成热射流的除霜速度极大增加,并且完全除霜后,冰滴的高度比合成双射流除霜减少20%.