CN114111675B - 一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法，其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，通过引入流速判别法则，建立无速度约束条件的恒壁温持续性低流量供水工况管道结冰厚度显示解析算式。基于该显式解析算式，以入管道直径、无量纲冻结参数、与轴向距离有关的级数或轴向距离作为输入变量，以管道壁面温度、管道内水温及其流量作为测试量，即可获得增压供水系统稳态、低流量工况时管道结冰厚度，本发明在实际工程现场使用时，极大地提升了增压供水系统持续性低流量供水工况时管道结冰厚度检测方法的适用性和便捷性。

Description

一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰 厚度检测方法

技术领域

本发明涉及结冰厚度检测技术领域，具体涉及一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法。

背景技术

增压供水系统，是当客机滞空时间较长时为满足乘客和空勤生理需求而设置的。随着航程和载员的增加，切实保障增压供水系统安全运行尤为关键。然而，当客机在高寒地区航线运营时，周围低温环境使得增压供水系统管内流体极易发生结冰。此时，管道内涉及到复杂的固、液两相流动，流动阻力随之增加，系统动力输送设备出力受到严重影响。特别地，当增压供水系统长时间处于稳态低流量工况(即：稳态层流)运行时，更易引起供水干管和支管发生结冰，甚至完全堵塞供水管道，导致增压供水系统空中失效。因此，准确检测低温环境下客机增压供水系统管道结冰厚度，对于精确制定管道加热策略、降低结冰导致的供水系统空中失效风险，将具有重要的工程价值。

目前，民用客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件展开。所采用的方法主要是在相应位置安装光学式、电学式、机械式等结冰传感器，根据传感器反馈信息实时辨识结冰情况。但是，有关客机增压供水管道的结冰探测方法，却鲜有文献和专利报道。现阶段，更多是以地面供水管道结冰为对象，所包含的方法有数值模拟和解析建模。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，但是数值迭代所需要的时间较长，并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。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种适用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法，通过测试低温环境下管道壁面温度、管道内水温及其流量，即可获得恒壁温持续性低流量供水时管道结冰厚度。

为实现上述目的，本申请提出一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法，包括：

利用超声波流量计和管道式温度传感器，测试增压供水系统稳态、低流量供水时管道内的流量Q和水温T₀；根据所述管道内的水温T₀，确定水和冰的基本物性参数，所述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T_f，以及冰的导热系数λ_S和相变潜热L；

通过贴片式温度传感器，测试管道壁面温度T_w，若所述管道壁面温度T_w≦T_f，则判定管道内有结冰发生，需进一步检测结冰厚度；

根据管道流量Q和管道直径D，确定管道内水的平均流速V；

根据所述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和热扩散系数α_L，确定普朗特数Pr；

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^*；

根据所述管道内水的温度T₀、凝固点T_f和管道壁面温度T_w，以及水的导热系数λ_L和冰的导热系数λ_S，确定无量纲冻结参数B；并得到与无量纲距离z^*和γ_m有关的级数A(z^*)，其中γ_m为0阶贝塞尔函数的正根。

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。

进一步的，确定管道内水的平均流速V公式为：

进一步的，确定雷诺数Re公式为：

进一步的，确定普朗特数Pr公式为：

进一步的，确定无量纲距离z^*公式为：

进一步的，确定无量纲冻结参数B公式为：

进一步的，与无量纲距离z^*和γ_m有关的级数A(z^*)获取公式为：

进一步的，所述冰层厚度计算选择公式为：

进一步的，方案1为：根据管道直径D、无量纲冻结参数B、级数A(z^*)，利用下式确定冰层厚度e：

进一步的，方案2为：根据管道直径D、无量纲冻结参数B、无量纲轴向距离z^*，利用下式确定冰层厚度e：

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：本发明只需要通过测试管道壁面温度、管道内水流温度及流量，即可以获得稳态、低流量工况管道结冰厚度。本发明所建立的管道结冰厚度计算方式为输入参数的显式表达，无需引入迭代过程或其他的数学变换。因此，只需要根据判别条件，输入管道直径、无量纲冻结参数、与轴向距离有关的级数或轴向距离，即可确定管道结冰厚度。在实际工程现场使用时，极大地提升了增压供水系统恒壁温持续性低流量供水工况时管道结冰厚度检测方法的适用性和便捷性。

附图说明

图1为用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法流程图；

图2为增压供水系统结构原理图；

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贴片式温度传感器。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请，即所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1所示，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，通过引入流速判别法则，建立无速度约束条件的恒壁温持续性低流量供水工况(即：稳态、层流)管道结冰厚度显示解析算式。基于该显式解析算式，以入管道直径、无量纲冻结参数、与轴向距离有关的级数或轴向距离作为输入变量，以管道壁面温度、管道内水温及其流量作为测试量，即可获得增压供水系统稳态层流流动时管道结冰厚度，其具体实现方法为：

S1.利用超声波流量计14和管道式温度传感器15，测试增压供水系统稳态、低流量供水时管道内的流量Q和水温T₀；根据所述管道内的水温T₀，确定水和冰的基本物性参数，所述基本物性参数主要包括水的密度ρ、粘度υ、导热系数λ_L、热扩散系数α_L和凝固点T_f，以及冰的导热系数λ_S和相变潜热L；

S2.利用贴片式温度传感器16，测试管道壁面温度T_w；若所述管道壁面温度T_w>T_f，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；

S3.根据管道流量Q和管道直径D，利用公式(1)，确定管道内水的平均流速V：

S4.根据所述管道内水的平均流速V、管道直径D、粘度υ，利用公式(2)，确定雷诺数Re；根据管道内水的粘度υ和热扩散系数α_L，利用公式(3)，确定普朗特数Pr：

S5.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(4)，确定无量纲距离z^*：

S6.根据管道内水的温度T₀、凝固点T_f和管道壁面温度T_w，以及水的导热系数λ_L和冰的导热系数λ_S，利用公式(5)，确定无量纲冻结参数B；利用公式(6)，得到与无量纲距离z^*和γ_m有关的级数A (z^*)，其中γ_m为0阶贝塞尔函数的正根；

S7.利用公式(7)，判断冰层厚度计算选择公式是否成立。若公式(7)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；

具体的，方案1为：根据管道直径D、无量纲冻结参数B、级数 A(z^*)，利用公式(8)，确定冰层厚度e：

具体的，方案2为：根据管道直径D、无量纲冻结参数B、无量纲轴向距离z^*，利用公式(9)，确定冰层厚度e：

上述方法是在增压供水系统中实施的，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、贴片式温度传感器。

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。

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。

Claims (1)

1.一种用于恒壁温边界增压供水系统持续性供水工况管道结冰厚度检测方法，其特征在于，包括：

利用超声波流量计和管道式温度传感器，测试增压供水系统稳态、低流量供水时管道内的流量Q和水温T₀；根据所述管道内的水温T₀，确定水和冰的基本物性参数，所述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T_f，以及冰的导热系数λ_S和相变潜热L；

通过贴片式温度传感器，测试管道壁面温度T_w，若所述管道壁面温度T_w≦T_f，则判定管道内有结冰发生，需进一步检测结冰厚度；

根据管道流量Q和管道直径D，确定管道内水的平均流速V，公式为：

根据所述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和热扩散系数α_L，确定普朗特数Pr；

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^*；

雷诺数Re公式为：

普朗特数Pr公式为：

无量纲距离z^*公式为：

根据所述管道内水的温度T₀、凝固点T_f和管道壁面温度T_w，以及水的导热系数λ_L和冰的导热系数λ_S，确定无量纲冻结参数B；并得到与无量纲距离z^*和γ_m有关的级数A(z^*)，其中γ_m为0阶贝塞尔函数的正根；

无量纲冻结参数B公式为：

与无量纲距离z^*和γ_m有关的级数A(z^*)获取公式为：

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；

所述冰层厚度计算选择公式为：

方案1为：根据管道直径D、无量纲冻结参数B、级数A(z^*)，利用下式确定冰层厚度e：

方案2为：根据管道直径D、无量纲冻结参数B、无量纲轴向距离z^*，利用下式确定冰层厚度e：

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