...21 700型飞机进行首次短舱防冰系统试验
归晓烨
【摘 要】利用计算槽道内部强制对流換热的Gnielinski公式对机翼防冰系统槽道的对流换热系数进行了计算，分析了槽道截面长度和宽度变化对对流换热系数的影响。根据计算结果分析发现局部增大或减小槽道截面长度对对流换热系数的影响较小，而局部增大或减小槽道截面的宽度对对流换热系数的影响较大。在机翼防冰系统槽道设计过程中更要注重槽道截面宽度方向的设计，来提升机翼防冰系统的换热效率。
【关键词】槽道；对流换热系数；强化换热；机翼防冰系统
【Abstract】With tunnel inner flow Heat Transfer Coefficient（HTC） calculation Gnielinski formula，the HTC of Wing Anti-Ice System（WAIS）slot is calculated.The influence of length and width of slot cross section to HTC is analyzed. Based on the calculation results， it has been found that the influence of slot cross section length to HTC is minor，and the influence of slot cross section width to HTC is major.The slot cross section width is the key parameter for WAIS design，to improve the heat exchange efficiency.
【Key words】Slot；Heat Transfer Coefficient（HTC）；Enhanced heat transfer；Wing Anti-Ice System（WAIS）
0 前言
为了保证飞机能在结冰条件下的飞行安全，通常会设计防冰系统在影响飞机气动特性的迎风结冰区进行加热，防止飞机上形成危险量的积冰[1]。防冰系统一般采用热防冰系统，主要分为热气防冰系统和电加热防冰系统。热气防冰系统由于组成简单，使用可靠等特点应用较为广泛。考虑到飞机飞行的经济性，如何提高热气防冰系统的效率一直都是系统设计的主要研究方向。经过多年的发展，利用笛形管进行防冰系统内部的流量分配和局部强化换热已经成为热气防冰系统的标准设计。但笛形管系统强化换热的区域有限，如何在较长防护表面形成较大面积的强化效果十分值得研究。本文针对机翼防冰系统的结构特点，通过对流换热系数的变化分析槽道的强化换热效果。
1 槽道内强制对流传热计算方法
槽道流动中，换热壁面上边界层的发展受到流道壁面的限制，其换热规律与外部流动有明显的区别。当流体从大空间进入槽道内部时，流动边界层有一个从零开始增长直到汇合于槽道中心线的过程。类似的，当流体与槽道壁面之间有热交换时，槽道壁面上的热边界层也有个从零开始增长直到汇合于槽道中心线的过程。当流动边界层和热边界层都汇合到中心线后，流动和换热都进入充分发展阶段，此后的换热强度保持不变。从进口到充分发展段之间的区域称为入口段。一般当槽道长度与当量直径之比大于60时，传热系数就不受入口段的影响。而工程上常常利用入口段换热效果好这一特点来强化换热[2]。
对于常规流体，槽道内强制对流换热计算有多个经验公式，如Dittus-BoeLter公式、Gnielinski公式等。Dittus-BoeLter公式在历史上曾经得到广泛的应用，由于其形式简单目前仍在工程上应用。而Gnielinski公式是迄今为止计算准确度最高的公式。在所依据的800多个实验数据中，90%数据与公式计算值的最大偏差在±20%以内，大部分都在±10%以内。本文计算主要采用Gnielinski公式，见式（1）和式（2）。
其中，l为槽道长度；f为槽道内部流动的Darcy阻力系数，按Filonenko公式计算，见式（3）。
2 机翼防冰系统内槽道设计
机翼防冰系统结合缝翼内部结构部件的设计形成热气通道。缝翼上表面是飞机吸力峰所在，而且长度相对较长，防冰效果对飞机升力影响较大。除了几何前缘笛形管小孔的射流对局部加强换热外，需要在中后部较长部段进行强化换热的设计。而槽道流动刚好可以满足这一需求。机翼防冰系统的槽道设计一般如图1所示。通过急剧减小流动面积来增加流速，提高槽道内部的换热系数，达到强化换热的目的。
3 槽道强化换热的计算分析
槽道入口截面的长（a）、宽（b），槽道之间的间隔（i）以及槽道的长度（l）对换热的效果都有影响。可通过对给定笛形管变换槽道的参数来计算槽道的对流换热系数。假设笛形管小孔直径为2mm，出口流速为400m/s，孔间距为40mm。槽道入口热气温度为50°C，防护表面温度为10°C。
给定槽道截面宽度（b）为1.27mm，槽道长度（l）为30mm不变，通过改变槽道截面长度（a）利用Gnielinski公式来计算槽道的对流换热系数，如图2所示。
给定槽道截面宽度（a）为20mm，槽道长度（l）为30mm不变，通过改变槽道截面长度（b）利用Gnielinski公式来计算槽道的对流换热系数，如图3所示。
通过对图2和图3数据的分析可以发现，槽道对对流换热系数的增加有明显效果，但局部增大或减小槽道截面长度对对流换热系数的影响较小，而局部增大或减小槽道截面的宽度对对流换热系数的影响较大。因此，在机翼防冰系统槽道设计过程中要更加注重槽道截面宽度的设计权衡计算。
4 结论
缝翼内防冰腔后部的槽道设计能有效增大防护表面的对流换热系数，起到强化换热的作用。局部增大或减小槽道截面长度对对流换热系数的影响较小，而局部增大或减小槽道截面的宽度对对流换热系数的影响较大。在机翼防冰系统槽道设计过程中要注重槽道截面宽度方向的设计优化。
【参考文献】
[1]裘燮纲，韩凤华.飞机防冰系统[M].北京：航空专业教材编审组，1985.
[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2015.
[责任编辑：田吉捷]
