CN108169819B - 一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法 - Google Patents

一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空气象领域，具体是一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法。解决了空中过冷水无法定量测量的问题，采用以下步骤：101～计算谐振式结冰探测器的振动频率下降130Hz时，对应的结冰体积和结冰质量。102～计算振动频率下降f’时对应的结冰质量。103～得到结冰质量与飞行距离、过冷水含量以及谐振式结冰探测器敏感体体积的关系。104～得到过冷水含量的计算公式。105～对过冷水含量计算公式进行温度和空速修正。106～得到的过冷水含量计算公式，并计算过冷水含量。本发明能得到定量、连续的过冷水含量，解决航空气象探测的一大难题，为人工冷云增雨作业提供重要指标。

Description

一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法
技术领域
本发明属于航空气象领域，具体是一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法。
背景技术
过冷水，0℃以下以液态形式存在的水，是人工影响天气冷云增雨的关键因素，过冷水的多少决定了催化剂播撒量的多少，若云中过冷水含量较低而播撒了过量的催化剂反而会形成消雨的效果，因此对过冷水精确定量测量对人工冷云增雨有重要意义，现有技术只能通过空中飞机是否结冰判断是否存在过冷水，无法对过冷水定量测量。
发明内容
本发明为了解决空中过冷水无法定量测量的问题，提供一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法。
本发明采取以下技术方案，一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法，采用以下步骤：
101～计算谐振式结冰探测器的振动频率下降130Hz时，对应的结冰体积和结冰质量。
102～计算振动频率下降f’时对应的结冰质量。
103～得到结冰质量与飞行距离、过冷水含量以及谐振式结冰探测器敏感体体积的关系。
104～得到过冷水含量的计算公式。
105～对过冷水含量计算公式进行温度和空速修正。
106～得到的过冷水含量计算公式，并计算过冷水含量。
所述步骤101中，具体计算方法为，谐振式结冰探测器的敏感体高度为H，直径为
Figure GDA0002459854670000021
则谐振式结冰传感器未结冰前，敏感体体积为V1＝π*r2*H，其中
Figure GDA0002459854670000022
当频率下降130Hz时，此时敏感体高度为H，探头直径变为’，敏感体结冰后的体积为：V2＝π*r’2*H，其中
Figure GDA0002459854670000023
此时，附着冰的体积ΔV＝V2-V1，结冰质量m＝ρ*ΔV，ρ为冰的密度。
所述步骤102中，具体计算方法为，结冰质量和频率下降为线性关系，当频率下降f’时结冰质量为m’,
Figure GDA0002459854670000024
所述步骤103中，过冷水含量记为SLWC，频率下降f’所用时间为t’,则m’可表示为：
Figure GDA0002459854670000025
式中Vt表示空速，H为敏感体高度，
Figure GDA0002459854670000026
为敏感体直径，t′*Vt表示飞行的距离，
Figure GDA0002459854670000027
表示收集过水含量横截面积，
Figure GDA0002459854670000028
表示收集的过冷水的体积。
所述步骤104中，过冷水含量的计算公式如下：
Figure GDA0002459854670000029
(式中
Figure GDA00024598546700000210
L＝Vt*t′为飞行距离)
所述步骤105中，具体方法如下：
经过冰风洞试验得到温度结冰系数：
Figure GDA00024598546700000211
(式中T为温度，T的单位为摄氏度)
经过冰风洞试验得到空速结冰系数：
Figure GDA00024598546700000212
(式中V为空速，V的单位为米/秒)
所述步骤106中，得到过冷水含量计算公式修正为：
Figure GDA0002459854670000031
与现有技术相比，本发明谐振式结冰传感器为国外成熟产品，目前只用于结冰预警，本发明通过检测谐振式结冰传感器振动频率的降低速度来实时解算得到空中过冷水含量值。本发明可定量测量过冷水含量，与现有的通过目视定性测量过冷水方法相比，能得到定量、连续的过冷水含量，解决航空气象探测的一大难题，为人工冷云增雨作业提供重要指标。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
谐振式结冰传感器最上端为振动敏感体，无附加物正常工作时，敏感体的共振频率为40000Hz。当遇到过冷水，冰附着在敏感体表面，冰块质量引起探头共振频率下降。当探头表面附加0.5mm厚度的冰时，敏感体的振动频率下降大约130Hz，当频率下降到39870Hz后，传感器开始加温除冰，然后重新开始检测。
本发明的解算方法如下：
敏感体高度H＝2.54cm，
Figure GDA0002459854670000032
则谐振式结冰传感器未结冰前，敏感体体积为
V1＝π*r2*H＝3.14*(0.64/2)2*2.54＝0.817cm3
当频率下降130Hz达到39870Hz时，敏感体上附着的冰厚为0.5mm，此时敏感体高度H＝2.54cm，
Figure GDA0002459854670000041
敏感体结冰后的体积为：
V2＝π*r′2*H＝3.14*(0.74/2)2*2.54＝1.092cm3。
此时，附着冰的体积为ΔV＝V2-V1＝0.275cm3；则此时结冰质量为m＝ρ*ΔV＝0.275*0.9＝0.2475g。
因此敏感体振动频率下降130Hz时，结冰质量m为0.2475g，由于结冰质量和频率下降近似为线性关系，当频率下降f′时结冰质量为m′：
Figure GDA0002459854670000042
过冷水含量记为SLWC，频率下降f’所用时间为t’,则m’可表示为：
Figure GDA0002459854670000043
式中Vt表示空速，H表示探头高度，
Figure GDA0002459854670000044
表示探头直径。t′*Vt表示飞行的距离，
Figure GDA0002459854670000045
表示收集过水含量横截面积，
Figure GDA0002459854670000046
表示收集的过冷水的体积。
综合公式1和公式2得到过冷水含量表达式为：
Figure GDA0002459854670000047
其中
Figure GDA0002459854670000048
实际飞行过程中，过冷水含量的计算还会受到其他因素的影响，因此最终的过冷水含量计算要经过结冰系数的修正。
结冰系数n：单位时间的实际结冰量和实际过冷水收集量之比，由于收集的过冷水不可能完全结为冰，结冰系数小于1，影响结冰系数的物理因素主要有空气温度、飞行速度。
空气温度对结冰系数的影响：在环境温度较高时，水滴在撞击后只有部分结冰，部分会溢流；在环境温度较低时，过冷水滴撞击后立即全部结冰。
经过冰风洞试验得到温度结冰系数：
Figure GDA0002459854670000051
飞行速度对结冰系数的影响：从空气动力学的角度，当空速越大传感器探头捕获空气中水滴的机会相对越小；从热量传递的角度，空速增大会导致水滴撞击时的总温升高，气动加热增强，阻碍潜热的散发影响结冰。
经过冰风洞试验得到空速结冰系数：
Figure GDA0002459854670000052
因此过冷水含量计算公式修正为：
Figure GDA0002459854670000053

Claims (1)

1.一种基于谐振式结冰探测器的过冷水含量测量方法，其特征在于：采用以下步骤，
101～计算谐振式结冰探测器的振动频率下降130Hz时，对应的结冰体积和结冰量；具体计算方法为，敏感体高度为H，探头直径为
Figure FDA0002459854660000011
则谐振式结冰传感器未结冰前，敏感体体积为V1＝π*r2*H，其中
Figure FDA0002459854660000012
当频率下降130Hz时，敏感体高度为H，探头直径变为
Figure FDA0002459854660000013
敏感体结冰后的体积为：V2＝π*r’2*H，其中
Figure FDA0002459854660000014
此时附着冰的体积ΔV＝V2-V1，结冰质量m＝ρ*ΔV，ρ为冰的密度；102～计算振动频率下降f’时对应的结冰质量；具体计算方法为，结冰质量和频率下降近似为线性关系，当频率下降f’时结冰质量为m’，
Figure FDA0002459854660000015
103～得到结冰质量与飞行距离、过冷水含量以及探头的体积关系； 过冷水含量记为SLWC，频率下降f’所用时间为t’，则m’可表示为：
Figure FDA0002459854660000016
式中Vt表示空速，H为探头高度，
Figure FDA0002459854660000017
为探头直径，t′*Vt表示飞行的距离，
Figure FDA0002459854660000018
表示收集过水含量横截面积，
Figure FDA0002459854660000019
表示收集的过冷水的体积；
104～得到过冷水含量的计算公式；过冷水含量的计算公式如下：
Figure FDA00024598546600000110
Figure FDA00024598546600000111
式中
Figure FDA00024598546600000112
为飞行距离；
105～对过冷水含量计算公式进行温度和空速修正；具体方法如下：
经过冰风洞试验得到温度结冰系数：
Figure FDA00024598546600000113
式中T为温度，T的单位为摄氏度；
经过冰风洞试验得到空速结冰系数：
Figure FDA0002459854660000021
公式中V是为空速，V的速度为米/秒；
106～得到的过冷水含量计算公式，并计算过冷水含量；得到过冷水含量计算公式修正为：
Figure FDA0002459854660000022
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