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机翼电加热防冰加热功率分布优化研究
　　摘 要：提出了防冰负荷的优化方法，优化了防冰表面温度的分布。计算结果表明，此方法可以减小防冰系统的加热总功率。在此基础上，通过试验验证了计算结果的合理性。采用正确的试验和数值方法能得到准确的机翼表面的防冰负荷，而优化后的防冰加热方案为飞机防冰热负荷设计提供了必要的依据。
　　关键词：防冰负荷；表面温度；遗传算法；优化分布
　　中图分类号：+5 文献标识码：A DOI：.
　　飞机在大气中飞行时，其部件表面上积聚了冰层，我们称这种现象为飞机结冰。翼面上所结成的不规则冰层会对飞行安全构成严重的威胁，甚至会引发空难。目前，国内在数值研究方面的工作开展得较多，对防冰负荷的预测，主要采用假设均匀表面温度的方法来计算，但计算出的负荷结果往往偏大，所以，需要系统地研究防冰加热功率分布的情况。
　　1 防冰负荷计算
　　 防冰表面守恒方程
　　文中，防冰负荷的计算方法采用Messinger模型假设。在此过程中，可忽略气流和机翼表面水膜展向的流动，而质量和能量守恒方程的求解过程则从驻点开始。防冰系统表面的热流项有对流散热热流密度qa，蒸发散热热流密度qe，加热收集水所需的热流密度qw，水滴动能转换的热流密度qwv，气动加热热流密度qv，水膜流动带入、带出热流密度qwaterin、qwaterout。
　　对水膜划分微元体，控制体包括单位时间内撞击水的质量mimp，蒸发水量mevp，流入、流出控制体的质量min、mout。mimp、mevp的计算公式为：
　　式（1）（2）中：β为局部水收集系数；V0为飞机飞行速度；dy为控制体上下界限表面长度ds的纵向投影长度；Le为水的蒸发潜热；es为相应温度下的饱和水蒸汽压力。
　　相应温度下的饱和水蒸汽压力的计算公式为：
　　对于湿表面式防冰，机翼表面存在水膜，而且会向后溢流，质量守恒方程为：
　　根据能量守恒定律，控制体外部的能量守恒方程为：
　　 防冰负荷计算方法
　　本文中质量和能量守恒方程的求解过程是从驻点开始的。将机翼上表面分成若干微元，从驻点开始直到机翼后缘，依次定义网格单元编号为1，…，i，i+1，…，n，共n个控制体。沿着机翼的上表面计算每个微元体的防冰热载荷和流进、流出控制体的溢流水量。对于湿表面式防冰，可以认为，从前一个控制微元溢流出来水的质量流量等于流进后一个微元的水的质量流量，如式（6）所示：
　　.
　　当利用式（2）计算得mevp，i后，可根据质量守恒方程得到mout，i，直到蒸发水量大于水撞击量与进入控制体水量之和时，则认为所有撞击水和流入控制体容积水全部蒸发，微元体没有溢流出去的水，质量计算结束。
　　针对湿表面式防冰，由于设计之初并不知表面的温度分布，因此，可以给定表面温度，再由式（5）得到防冰部件所需的热载荷qn。
　　 防冰加热功率优化方法
　　表面温度的设计会对防冰表面所需的总加热功率产生重要的影响。在以往的负荷预测中，设计人员往往以表面温度均一来计算防冰负荷。文中将重新设计表面温度分布情况来优化加热功率，将防冰区域划分成6个区域，表面温度和防冰区域长度Spro为自变量