电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

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1、第２６卷第２期实验流体力学Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２２０１２年０４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓＡｐｒ．，２０１２文章编号：１６７２－９８９７（２０１２）０２－００２３－０６电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究肖春华１，２，林贵平２，桂业伟１，肖京平１（１．中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川绵阳６２１０００；２．北京航空航天大学航空科学与工

2、程学院，北京１０００８３）摘要：采用计算和实验相结合的方法，初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响。在电加热条件下，耦合外部气动力载荷的作用，采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布，比较了加热／不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别，研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律。研究发现，电加热条件下，在表面冰层融化前，热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加，从而造成冰层局部区域的破裂，加速冰层的破坏。同时，设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破

3、坏影响。研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义。关键词：电热除冰；热力耦合；原理性实验；气动力载荷；破裂中图分类号：Ｖ２１１．７５３；Ｖ３２８文献标识码：ＡＳｔｕｄｙｏｎｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌｄｅｉｃｉｎｇ１，２，ＬＩＮＧｕｉ－ｐｉｎｇ２，ＧＵＩＹｅ－ｗｅｉ１，ＸＩＡＯＪｉｎｇ－ｐｉｎｇ１ＸＩＡＯＣｈｕｎ－ｈｕａ（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ

4、ｏｆＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣｈｉｎａＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｒｅ，ＭｉａｎｙａｎｇＳｉｃｈｕａｎ６２１０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｄ，ｔｈｅ

5、ｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ－ｍｅ－ｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｔｈｅｉｃｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌｄｅｉｃｉｎｇ．Ｔｈｅｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｅｎｏｒｍａｌａｎｄｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｉｃｅａｎｄａｉｒｆｏｉｌａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｕｎ－ｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｆｌｕｘｅｓｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂｙｆ

6、ｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｎｏｒｍａｌａｎｄｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｈｅａｔｅｄａｎｄｕｎｈｅａｔｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｅａｔｆｌｕｘｏｎｍａｘｉｍｕｍｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｅａｄｓｔｏｒｅｍａｒｋａｂｌ

7、ｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｓｔｒｅｓｓｉｎｔｈｅｉｃｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌｄｅｉｃｉｎｇ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｉｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｃｒａｃｋｉｎｔｈｅｉｃｅａｎｄｓｐｅｅｄｓｕｐｉｃｅｓｈｅｄｄｉｎｇｂｅｆｏｒｅｉｃｅｌａｙｅｒａｔｓｕｒｆａｃｅｂｅｇｉｎｓｔｏｍｅｌｔ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｔｅｓｔｆｏｒｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏ

8、ｐｍｅｎｔｏｆｎｅｗｄｅｉｃｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌｄｅｉｃｉｎｇ；ｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｔｅｓｔｆｏｒｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇ；ｃｒａｃｋ除冰过程中的重要特征。０引言以往的电热除冰计算研究主要围绕除冰结构的电热除冰过程中，飞机蒙皮表面所结的冰层一方传热、冰层融化和冰层的力学特性问题，目前针对电面受到气动力载