一种除冰液喷射角度控制方法及系统

本发明属于飞机除冰，尤其涉及一种除冰液喷射角度控制方法及系统。

背景技术：

1、飞机结冰是造成飞行事故的重要原因，飞机结冰会严重影响飞机的空气动力性能，导致飞机操稳品质下降，影响航空发动机安全性能和飞行安全。飞机如何进行有效快速地除冰一直是国内外机场在冬季关注的问题，为了减少和降低冰雪天气飞机结冰对飞行的影响，国内外的学者和专业人员，一直致力于对先进的飞机除冰技术的研究。

2、除冰嘴喷射除冰技术是一种通过喷射除冰液进行除冰的方法，也是目前采用最多的飞机除冰方式。将储液箱储存一定容量的除冰液，然后从除冰喷嘴直接喷击冰雪覆盖区域，使该区域的冰雪迅速与除冰液发生化学反应，达到除冰的目的。除冰喷嘴参数(温度、压力、流量)对除冰过程具有一定影响。在喷嘴处温度、压力、流量等参数一定时，喷射角度对除冰效率也有较大影响。除冰过程中由于除冰喷嘴喷射出的除冰液在空中多以抛物线的形式存在，随着喷射角度的改变，击中在覆冰位置的横向及纵向的速度分量也会随之变化；喷射角度的变化也会引起除冰液喷射过程中流体内部温度分布情况的改变；考虑流动与温度的协同关系，喷射角度的变化会引起除冰液与空气的换热效率的改变，影响除冰液在空中的热能损耗。因此，除冰喷嘴的喷射角度大小直接影响除冰的速度及除冰液的利用效率。

3、目前关于喷射角度的研究，着眼点多为除冰液击中目标位置后的力学行为及换热情况，少有关于除冰液在喷射过程暴露于空气中时与空气换热而产生能量损耗的研究，对于除冰喷嘴角度的确定优化方面的研究甚少。在实际飞机除冰操作中，喷嘴角度的设定也多基于操作人员的经验，目前尚未形成确定方法和较优的喷射角度配置方案。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、(1)现有技术中，除冰嘴喷射过程中热量耗散大，除冰液利用率低。

6、(2)现有技术中控制方法具有成本高、不易实施、抗干扰能力弱。

7、(1)现有的除冰参数控制，对除冰液射流过程中所产生能耗的研究较少，导致了冗余的除冰液用量，造成了较低的除冰液利用率。

8、(2)目前缺少一种针对除冰喷射角度，简单、合理、有效的控制方法，以致难以有效控制除冰喷射角度以提高除冰液的利用率。

9、本发明基于除冰喷射角度与除冰液射流能量损耗的协调关系，以降低因除冰液射流能耗过大而造成的除冰液浪费为目的，建立了除冰液喷射角度的优化控制方案。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种除冰液喷射角度控制方法及系统。具体涉及飞机除冰参数控制及飞机除冰成本控制领域，公开一种基于温度场-流场耦合调变规律的除冰液喷射角度控制方案。本发明基于除冰喷射角度与除冰液射流能量损耗的协调关系，以降低因除冰液射流能耗过大而造成的除冰液浪费为目的，建立了除冰液喷射角度的优化控制方案。

2、所述技术方案如下：除冰液喷射角度控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、s1，采集环境气象参数、除冰液参数及除冰喷嘴配置参数，给定冰雪覆盖面积、喷嘴位置及初始角度；

4、s2，计算喷射角度变化范围，生成喷射角度集合；

5、s3，数值计算生成除冰液喷射过程中除冰液温度分布及流动轨迹；

6、s4，计算各喷射角度下所对应能耗值，生成喷射角-能耗值数据库；

7、s5，以能耗值最低为目标，在数据库中筛选出最优喷射角度。

8、在步骤s1中，所述环境气象参数包括温度t、相对湿度φ，气压p、风速vw；除冰液参数包括：除冰液型号、配比，计算除冰液物性参数；物性参数包括密度ρ、导热系数h、比热容cp；除冰喷嘴配置参数包括温度、压力、流量。

9、在步骤s1中，所述给定冰雪覆盖面积、喷嘴位置及初始角度前，需检测机身冰雪覆盖物面积及范围界限，并通过以下公式计算喷射角度范围：

10、

11、

12、

13、

14、式中，θ为喷射角度，分别为喷射角度θ在三个维度的角度分量，x1，x2分别为初始位置到冰雪覆盖范围左右边界距离，y1，y2分别为初始位置到上下边界距离，amin，βmin，γmin分别为喷射角度分量的最小值，amax，βmax，γmax分别为喷射角度分量的最大值，d为除冰喷嘴喷距。

15、在步骤s1中，所述给定冰雪覆盖面积、喷嘴位置及初始角度包括：建立三维坐标系，给定喷嘴初始位置，设置喷嘴初始角度θ0(a0，β0，γ0)，根据机身冰雪覆盖范围界限，计算喷嘴三维旋转角度边界θb(ab，βb，γb)。

16、在步骤s2中，所述计算喷射角度变化范围，生成喷射角度集合包括：设定喷嘴旋转迭代步长，以喷嘴三维旋转角度边界为界限，生成喷射角度集合并贮存数据；

17、喷嘴三维旋转角度边界的计算方法包括：将机身表面冰雪覆盖范围与除冰液喷嘴位置进行空间重构，依据几何关系，计算得到三个角度分量的最大值和最小值，组合得到喷射角度范围θi∈(θmin，θmax)；

18、喷射角度集合以如下方式构建：选择合适步长δa，δβ，δγ，对三个角度分量取值范围进行离散，将所获得角度组成集合：

19、ai∈{a1，a2…}

20、βi∈{β1，β2…}

21、γi∈{γ1，γ2…}

22、式中，ai，βi，γi分别为各喷射角度分量的集合，根据角度关系将角度分量集合组合成喷射角度集合：

23、

24、θi∈{θ1，θ2…}

25、式中，θi为喷射角度的集合，表示在i列中ai喷射角度分量的集合，表示在j列中βi喷射角度分量的集合，表示在k列中γi喷射角度分量的集合。

26、在一个实施例中，选取喷射角度集合中的角度θi(αi，βi，γi)，以喷射角度集合为输入参数，引入vof模型及如下控制方程，通过数值模拟，生成该喷射角度下，除冰液喷射过程温度梯度和流动轨迹，计算温度梯度及速度矢量二者间的夹角记为能耗角φi，并统合各点能耗角计算各个喷射角度对应的平均能耗角，记温度梯度与平均能耗角的乘积为能耗值ε，将不同喷射角度下的能耗值组成能耗值集合；

27、能量方程为：

28、

29、连续方程为：

30、

31、动量方程为：

32、

33、vof方程为：

34、

35、传热控制方程为：

36、

37、式中，t为温度，t为喷嘴喷射过程中的节点数值，gradf为方向导数，u为热能，p为所受外力值，q为传热总热量，为差值，x，y，z分别为水平轴方向、纵轴方向、垂直轴方向，v为流动速度，k为常数，ρ为密度，u，v，w分别为速度v在x，y，z方向上的分量，p为压力，f为物相的体积分数，cp为比热容，λ为流体的热导率。

38、在一个实施例中，建立喷射角度集合θi(αi，βi，γi)与对应的能耗值ε集合的映射关系，建立喷射角-能耗值数据库，并据此拟合出能耗值ε的函数f(θ)；对喷射角集合和能耗角集合建立映射关系，构建喷射角-能耗值数据库，并从传热学的角度，根据如下公式，对喷射过程中的能量损耗进行评估，并据此在数据库中优选最佳喷射角度：

39、喷射除冰液在x方向的传热过程：

40、

41、式中，nux为x方向上的局部努塞尔数，h是流动的对流传热系数，x是特征长度，λ是流体的热导率；

42、结合温度梯度与速度矢量之间的协同关系，努塞尔数有如下表达：

43、

44、式中，re为雷诺数，pr为普朗特数，为x方向上的流动速度，为温度梯度。

45、在一个实施例中，努塞尔数nu与流场、温度场及两者之间的协调作用有关，将努赛尔数写成能耗值ε的函数：

46、nux＝c·εi

47、其中，

48、

49、式中，ε为能耗值，c为常数，φi为能耗角。

50、在步骤s5中，以能耗值最低为目标包括：将函数f(θ)驻点及喷射角度边界的能耗值进行对比，获得最低能耗值，其所对应喷射角度即为最优喷射角度为：

51、θopt＝max(θ极值，θ边界)

52、式中，θopt为优选喷射角度，θ极值为喷射角度的最低能耗值，θ边界为喷射角度边界的能耗值。

53、本发明的另一目的在于提供一种除冰液喷射角度控制系统，实施所述除冰液喷射角度控制方法，该系统包括：

54、参数采集模块，用于采集或收集环境气象参数，包括温度、相对湿度，气压、风速；采集除冰液型号、配比，计算除冰液物性参数，包括密度、导热系数、比热容；采集除冰喷嘴配置参数，包括温度、压力、流量；

55、机身冰雪检测模块，用于检测机身冰雪覆盖物面积及范围界限；

56、喷嘴三维旋转角度边界计算模块，用于建立三维坐标系，给定喷嘴初始位置，设置喷嘴初始角度，根据机身冰雪覆盖范围界限，计算喷嘴三维旋转角度边界；

57、喷射角度集合生成模块，用于设定喷嘴旋转迭代步长，以喷嘴三维旋转角度边界为界限，生成喷射角度集合并贮存数据；

58、能耗值集合获取模块，用于依次选取喷射角度集合中的角度，生成该喷射角度下，除冰液喷射过程温度梯度和流动轨迹，计算温度梯度及速度矢量二者间的夹角记为能耗角，并统合各点能耗角计算各个喷射角度对应的平均能耗角，记温度梯度与平均能耗角的乘积为能耗值，将不同喷射角度下的能耗值组成能耗值集合；

59、喷射角-能耗值数据库建立模块，用于建立喷射角度集合与对应的能耗值集合的映射关系，建立喷射角-能耗值数据库，并据此拟合出能耗值的函数；

60、最优喷射角度获取模块，用于以能量损耗最低为目标，根据能耗值函数筛选最低能耗值，其所对应的喷射角度，为最优喷射角度。

61、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明在深入分析除冰液喷射过程温度变化和流动轨迹的基础上，以降低除冰液喷射过程中的能量损耗为目标，提出一种基于温度场-流场耦合调变规律的除冰液喷射角度控制方案。

62、本发明提供的基于温度场-流场耦合调变规律的除冰液喷射角度控制方案，具有适用于不同气象条件、机体各种结冰情况，抗干扰能力强。所需的环境参数、除冰液参数及物性参数信息可由相关机载设备或者机场提供，便于实施；调节除冰嘴的喷射角度，可降低喷射过程中的能量消散，节省除冰成本。

63、本发明公开一种基于温度场-流场耦合调变规律的除冰液喷射角度控制方案，采集环境气象参数、除冰液参数及除冰喷嘴配置参数，给定冰雪覆盖面积、喷嘴位置及初始角度；计算喷射角度变化范围，生成喷射角度集合；数值计算生成除冰液喷射过程中除冰液温度分布及流动轨迹；计算各喷射角度下所对应能耗值，生成喷射角-能耗值数据库；以能耗值最低为目标，在数据库中筛选出最优喷射角度。本发明所述控制方法具有成本低、易实施、抗干扰能力强等特点，可优化调控飞机除冰喷嘴喷射角度，有效提高除冰效率，具有较好的应用前景。

64、本发明有助于机场除冰作业过程中对除冰液喷射过程能量耗散的实时监控以及针对此对除冰喷嘴角度进行实时优化控制，以大大提高除冰效率、降低飞机除冰成本。目前少有基于除冰射流能耗对除冰喷嘴角度进行优化的研究，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白，为除冰作业优化控制提供了具体方案，同时为后续除冰优化控制的相关研究开拓了思路。本发明的技术方案提出了一种合理、有效的除冰射流能耗评估方法以及除冰喷嘴角度优化控制方案，解决了除冰研究领域中关于除冰射流能耗控制的技术难题。目前的除冰喷嘴控制方案，普遍局限于除冰参数的单一控制，而忽视了除冰液射流过程的能量耗散，这造成了过多的除冰液耗损浪费。而本发明的提供的控制方案克服了这一技术偏见，关注除冰液射流能耗，进行除冰参数的优化控制，较现有控制方法显著节约了除冰作业中的除冰液消耗，极大提升了除冰液的有效利用率。