CN114295079B - 一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法，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，建立恒热流边界增压供水系统管道结冰厚度检测方法。通过测试供水管道伴热过程管道壁面热流量、管道内水流温度及流量，结合水和冰的基本物性参数，引入无量纲液相导热系数Λ_L、无量纲固相导热系数Λ_S、无量纲冻结时间τ、无量纲距离z^*、级数A(z^*)等参数，构建了无量纲结冰厚度随无量纲引入参数的多变量函数变化关系；其提升了恒热流边界增压供水系统管道结冰厚度检测方法的适用性和便捷性；同时对于精准设计与运行管道伴热系统具有重要的指导意义。

Description

一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法

技术领域

本发明涉及结冰厚度检测技术领域，具体涉及一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法。

背景技术

增压供水系统，是客机水/废水系统重要的组成部分。其设置目的，是为了满足机组人员和乘客的用水需求。当飞机巡航时，随着飞行高度不断上升，环境温度急速下降，低温环境极易导致增压供水系统管道结冰。特别是当用水量不大的短暂性或持续性用水时，增压供水系统始终处于低流量工况运行(即：瞬态层流或稳态层流)，结冰风险进一步扩大。严重时将堵塞管道，致使增压供水系统失效。为防止增压供水系统管道结冰、提升系统安全性能，通常设置电伴热对管道加热。但是，因缺少管道结冰厚度实时检测，电伴热系统所提供的热量与管道防结冰所需热量难以精确匹配。若伴热系统提供热量过余，则造成能源浪费。反之，管道结冰风险居高不下。因此，准确检测增压供水系统管道结冰厚度，对防止管道结冰、确定电伴热系统加热功率、优化系统安全运行，将具有重要的工程价值。

现有飞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位展开。所采用的方法是在易发生结冰的部位安装光学式、声学式、电学式、机械式等传感器，利用传感器反馈信息判断检测部位的结冰情况。但是，有关飞机增压供水系统管道结冰检测的专利或文献报道仍非常有限，更多是围绕地面供水管道结冰厚度的研究。所采用的方法，主要包括数值模拟和解析建模。其中，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，但是数值迭代需要的时间较长，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，本发明提出一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法，其通过测试管道壁面热流密度及管道内水温和流量，即可获得系统低流量供水时管道结冰厚度；有效提升了检测方法的适用性和便捷性。

为实现上述目的，本申请提出一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法，包括：

利用超声波流量计，获得增压供水系统管道内水流量Q；再利用管道式温度传感器，得到低流量供水工况时恒热流边界条件下，增压供水系统管道内的水温T₀；根据所述管道内的水温T₀，确定基本物性参数，该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；通过热流计，得到管道电伴热(即：恒热流边界)过程中，管道壁面热流密度qW；

根据所述管道内的水温T₀和凝固点T_f，判断管道内是否有结冰发生：若所述管道内水温T₀≦T_f，则判定管道内有结冰发生，需进一步检测结冰厚度；

连续测试增压供水系统管道内水流量Q，若管道流量变化幅度大于设定值N，则判定供水过程流量不稳定，通过瞬态流动方式进行结冰厚度检测；若管道流量变化幅度不大于设定值N，则判定供水过程流量近似恒定，通过稳态流动方式进行结冰厚度检测。

进一步的，通过瞬态流动方式进行结冰厚度检测方法为：

根据增压供水系统管道内水流量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、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^*；

根据管道内水的温度T₀、凝固点T_f、密度ρ、热扩散系数α_L和相变潜热L，以及水和冰的导热系数λ_S和λ_L，确定无量纲液相导热系数Λ_L和无量纲固相导热系数Λ_S；

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；

根据管道内水的热扩散系数α_L、冻结时间t(T₀＝T_f对应的初始时刻)、管道直径D，确定无量纲冻结时间τ；

根据无量纲距离z^*、级数A(z^*)、无量纲液相导热系数Λ_L、无量纲固相导热系数Λ_S、无量纲冻结时间τ、管道直径D、管道壁面热流密度q_W，确定无量纲冰层厚度e^*；

根据无量纲冰层厚度e^*、管道直径D，确定实际冰层厚度e。

进一步的，确定无量纲距离z^*公式为：

进一步的，确定无量纲液相导热系数Λ_L和无量纲固相导热系数Λ_S公式分别为：

进一步的，与无量纲距离z^*和γ_m有关的级数A(z^*)为：

进一步的，确定无量纲冻结时间τ公式为：

进一步的，确定无量纲冰层厚度e^*公式为：

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确定实际冰层厚度e公式为：

更进一步的，通过稳态流动方式进行结冰厚度检测方法为：

利用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)，分别确定管道内水的平均流速V、雷诺数Re、普朗特数Pr、无量纲距离z^*和级数A(z^*)；

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。

更进一步的，所述冰层厚度计算选择公式为：

更进一步的，所述方案1为：根据无量纲距离z^*、级数A(z^*)、水的导热系数λ_L、管道直径D、管道壁面热流密度q_W、水温T₀和凝固点T_f，利用公式(12)，确定无量纲冰层厚度e^*；进一步利用公式(10)，确定实际冰层厚度e；

更进一步的，所述方案2为：根据无量纲距离z^*、水的导热系数λ_L、管道直径D、管道壁面热流密度q_W、水温T₀和凝固点T_f，利用公式(13)确定无量纲冰层厚度e^*；进一步利用公式(10)，确定实际冰层厚度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：本发明只需要测试供水管道伴热过程管道壁面的热流密度、管道内水流温度及流量，即可获得低温环境下低流量工况增压供水管道结冰厚度。不仅同时考虑了短暂性和持续性供水工况(即：管内瞬态流动和稳态流动)，而且结冰厚度的获取方式为输入参数的多变量函数，其计算过程不需要数值迭代。

在实际应用时，只需要测试管道壁面热流密度、管道内水流温度及流量，即可获得相应的输入参数，进而确定结冰厚度。提升了恒热流边界增压供水系统管道结冰厚度检测方法的适用性和便捷性；同时对于精准设计与运行管道伴热系统具有重要的指导意义。

附图说明

图1为实施例中一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法流程图；

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热流计。

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，本发明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，建立恒热流边界增压供水系统管道结冰厚度检测方法。通过测试供水管道伴热过程管道壁面热流量、管道内水流温度及流量，结合水和冰的基本物性参数，引入无量纲液相导热系数Λ_L、无量纲固相导热系数Λ_S、无量纲冻结时间τ、无量纲距离z^*、级数A(z^*)等参数，构建了无量纲结冰厚度随无量纲引入参数的多变量函数变化关系，进而建立了短暂性供水和持续性供水时管道结冰厚度检测方法，其包括：

S1.利用超声波流量计14，获得增压供水系统管道内水流量Q；再利用管道式温度传感器15，得到低流量供水工况时恒热流边界条件下，增压供水系统管道内的水温T₀；根据所述管道内的水温T₀，确定基本物性参数，该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。利用热流计16，得到管道电伴热(即：恒热流边界)过程中，管道壁面热流密度q_W；

S2.根据所述管道内的水温T₀和凝固点T_f，判断管道内是否有结冰发生：若管道内水温T₀>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.连续测试增压供水系统管道内水流量Q，若管道流量变化幅度大于设定值N(可以取10％)，则判定供水过程流量不稳定，管道内流动为瞬态流动，参照S4介绍的方法进行结冰厚度检测。若管道流量变化幅度不大于设定值N(可以取10％)，则判定供水过程流量近似恒定，管道内流动为稳态流动，参照S5介绍的方法进行结冰厚度检测。

S4.若管道内流动为瞬态流动，所采用的结冰厚度检测方法，如下所述：

S4-1.根据增压供水系统管道内水流量Q和管道直径D，利用公式(1)，确定管道内水的平均流速V：

S4-2.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、热扩散系数α_L，利用公式(3)，确定普朗特数Pr：

S4-3.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^*：

S4-4.根据管道内水的温度T₀、凝固点T_f、密度ρ、热扩散系数α_L和相变潜热L，以及水和冰的导热系数λ_S和λ_L，利用公式(5)和(6)，确定无量纲液相导热系数Λ_L和无量纲固相导热系数Λ_S：

S4-5.利用公式(7)，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；

S4-6.根据管道内水的热扩散系数α_L、冻结时间t(T₀＝T_f对应的初始时刻)、管道直径D，利用公式(8)，确定无量纲冻结时间τ：

S4-7.根据无量纲距离z^*、级数A(z^*)、无量纲液相导热系数Λ_L、无量纲固相导热系数Λ_S、无量纲冻结时间τ、管道直径D、管道壁面热流密度q_W，利用公式(9)，确定无量纲冰层厚度e^*：

S4-8.根据无量纲冰层厚度e^*、管道直径D，利用公式(10)，确定实际冰层厚度e：

S5.若管道内流动为稳态流动，所采用的结冰厚度检测方法，如下所述：

S5-1.利用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)，分别确定管道内水的平均流速V、雷诺数Re、普朗特数Pr、无量纲距离z^*和级数A(z^*)；

S5-2.利用公式(11)，选择冰层厚度确定方法。若公式(11)成立，参照S5-3介绍的方法，确定冰层厚度。否则，参照S5-4介绍的方法，确定冰层厚度。

S5-3.根据无量纲距离z^*、级数A(z^*)、水的导热系数λ_L、管道直径D、管道壁面热流密度q_W、水温T₀和凝固点T_f，利用公式(12)，确定无量纲冰层厚度e^*。进一步利用公式(10)，确定实际冰层厚度e。

S5-4.根据无量纲距离z^*、水的导热系数λ_L、管道直径D、管道壁面热流密度q_W、水温T₀和凝固点T_f，利用公式(13)确定无量纲冰层厚度e^*。进一步利用公式(10)，确定实际冰层厚度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、热流计。

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)

1.一种基于管壁热流条件检测增压供水管道结冰厚度方法，其特征在于，包括：

利用超声波流量计，获得增压供水系统管道内水流量Q；再利用管道式温度传感器，得到低流量供水工况时恒热流边界条件下，增压供水系统管道内的水温T₀；根据所述管道内的水温T₀，确定基本物性参数，该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；通过热流计，得到管道电伴热过程中，管道壁面热流密度q_W；

根据所述管道内的水温T₀和凝固点T_f，判断管道内是否有结冰发生：若所述管道内水温T₀≦T_f，则判定管道内有结冰发生，需进一步检测结冰厚度；

连续测试增压供水系统管道内水流量Q，若管道流量变化幅度大于设定值N，则判定供水过程流量不稳定，通过瞬态流动方式进行结冰厚度检测；若管道流量变化幅度不大于设定值N，则判定供水过程流量近似恒定，通过稳态流动方式进行结冰厚度检测；

通过瞬态流动方式进行结冰厚度检测方法为：

根据增压供水系统管道内水流量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、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^*；

根据管道内水的温度T₀、凝固点T_f、密度ρ、热扩散系数α_L和相变潜热L，以及水和冰的导热系数λ_S和λ_L，确定无量纲液相导热系数Λ_L和无量纲固相导热系数Λ_S；

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；

根据管道内水的热扩散系数α_L、冻结时间t、管道直径D，确定无量纲冻结时间τ；

根据无量纲距离z^*、级数A(z^*)、无量纲液相导热系数Λ_L、无量纲固相导热系数Λ_S、无量纲冻结时间τ、管道直径D、管道壁面热流密度q_W，确定无量纲冰层厚度e^*；

根据无量纲冰层厚度e^*、管道直径D，确定实际冰层厚度e；

确定无量纲距离z^*公式为：

确定无量纲液相导热系数Λ_L和无量纲固相导热系数Λ_S公式分别为：

与无量纲距离z^*和γ_m有关的级数A(z^*)为：

确定无量纲冻结时间τ公式为：

确定无量纲冰层厚度e^*公式为：

确定实际冰层厚度e公式为：

通过稳态流动方式进行结冰厚度检测方法为：

利用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)，分别确定管道内水的平均流速V、雷诺数Re、普朗特数Pr、无量纲距离z^*和级数A(z^*)；

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：

所述方案1为：根据无量纲距离z^*、级数A(z^*)、水的导热系数λ_L、管道直径D、管道壁面热流密度q_W、水温T₀和凝固点T_f，利用公式(12)，确定无量纲冰层厚度e^*；进一步利用公式(10)，确定实际冰层厚度e；

所述方案2为：根据无量纲距离z^*、水的导热系数λ_L、管道直径D、管道壁面热流密度q_W、水温T₀和凝固点T_f，利用公式(13)确定无量纲冰层厚度e^*；进一步利用公式(10)，确定实际冰层厚度e；