摘 要：民機(jī)供水管道大部分處于非溫控區(qū)的設(shè)備艙底部，在低溫環(huán)境下很可能發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象?；谀芰渴睾慵岸鄬訄A管傳熱理論，提出一種民機(jī)供水管道防冰設(shè)計(jì)方案，通過(guò)合理假設(shè)所需參數(shù)，完成管道防冰設(shè)計(jì)計(jì)算，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)設(shè)計(jì)方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證和分析。研究結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案能夠滿足防冰設(shè)計(jì)需求，為系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：民機(jī)供水系統(tǒng)；防冰設(shè)計(jì)；熱載荷；仿真計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：V244.1" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" 文章編號(hào)：1007 - 9734 （2024） 05 - 0042 - 08

DOI：10.19327/j.cnki.zuaxb.1007-9734.2024.05.006

0 引 言

民機(jī)供水系統(tǒng)是為了滿足機(jī)組人員和乘客的飲用與盥洗需求，是必須考慮和設(shè)計(jì)的重要機(jī)載系統(tǒng)之一，主要包含供水水箱、管道、閥門(mén)、水泵、清洗裝置、加熱裝置等部件。其中供水管道主要位于飛機(jī)下方的設(shè)備艙，處于非溫控區(qū)，且?guī)缀踟灤┱麄€(gè)飛機(jī)，在低溫環(huán)境下很可能發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。若管道結(jié)冰必然引起流動(dòng)不暢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞管道導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，甚至威脅飛行安全。因此，需要對(duì)其進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)和熱載荷計(jì)算分析，以減少結(jié)冰帶來(lái)的危害。

飛機(jī)防除冰的方式主要有液體防除冰技術(shù)、機(jī)械除冰技術(shù)及熱力防除冰技術(shù)三類(lèi)[1-2]，其中熱力防除冰技術(shù)最為常見(jiàn)，又分為氣熱防除冰和電熱防除冰兩類(lèi)。液體防除冰技術(shù)[3]是通過(guò)連續(xù)或周期性地在機(jī)體表面噴射防凍液來(lái)達(dá)到防除冰的效果，其防除冰能力有限且攜帶不便，故常用于小飛機(jī)或地面停放的飛機(jī)。機(jī)械除冰技術(shù)是采用機(jī)械的方法將冰層破碎，然后由氣流吹除，或者是利用離心力、振動(dòng)把冰去除，如氣囊除冰、電脈沖除冰等。熱氣防冰[4]是通過(guò)從發(fā)動(dòng)機(jī)壓力機(jī)或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，用高溫氣體對(duì)防冰區(qū)域進(jìn)行加熱從而達(dá)到防除冰的效果。電熱防除冰是通過(guò)電加熱的方式對(duì)防冰區(qū)域進(jìn)行加熱，其占用空間小、布置靈活、控制便捷。由于飛機(jī)供水管道較為細(xì)長(zhǎng)，且結(jié)冰發(fā)生在管道內(nèi)部，故采用電熱防除冰技術(shù)最為合適。

張雪蘋(píng)等[5]對(duì)民用飛機(jī)水廢水系統(tǒng)需要防冰的區(qū)域進(jìn)行分析，指出供水管道防冰的必要性，并提出典型加熱器的防冰功率計(jì)算方法。Hann等[6]利用冰風(fēng)洞對(duì)兩種用于固定翼無(wú)人機(jī)的電熱防冰系統(tǒng)，在不同環(huán)境條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，電加熱周期間隔時(shí)間越長(zhǎng)，效率越高，且?guī)в蟹指魩У某到y(tǒng)除冰效果更好，并確定了系統(tǒng)最節(jié)能的運(yùn)行模式。Xin等[7]提出了一種機(jī)翼電熱除冰的數(shù)值模擬方法，基于此方法對(duì)電熱除冰過(guò)程中的積冰、融冰和脫冰、回流和再凍現(xiàn)象進(jìn)行仿真，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。Ding和Chang[8]對(duì)電熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)除冰性能進(jìn)行了數(shù)值研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)系統(tǒng)有效除冰循環(huán)進(jìn)行了觀測(cè)，證實(shí)其防冰設(shè)計(jì)的合理性。Wang等[9]對(duì)碳納米管對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料的電熱耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，碳納米管網(wǎng)修飾碳纖維布的表面溫度在3min內(nèi)可提高20.5℃～32.3℃，自熱速率為6.8℃/min～10.8℃/min，比基礎(chǔ)碳纖維布提高了152%～177%，能在較低的輸入功率條件下，更迅速地完成除冰。諶廣昌等[10]采用鎳鉻合金細(xì)絲編織的金屬網(wǎng)作為加熱元件，對(duì)直升機(jī)旋翼槳葉結(jié)冰的電熱性能及力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該加熱墊溫升速度可達(dá)2.5℃/s，溫度均勻性小于2℃，除冰效果良好。田甜等[11]分別對(duì)以石墨烯和電阻絲制成的加熱元件的溫升速率和熱均勻性進(jìn)行了研究，分析了不同熱流密度和結(jié)冰溫度對(duì)石墨烯加熱膜除冰效果的影響，驗(yàn)證了石墨烯可以作為一種理想的加熱膜材料應(yīng)用于電熱除冰領(lǐng)域。

綜上所述，目前對(duì)飛機(jī)電熱防冰的研究主要集中于機(jī)翼或發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件，重點(diǎn)關(guān)注于加熱元件的溫升速率和熱均勻性等特性，對(duì)供水管道防冰的研究相對(duì)較少，因此需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究和分析。本文綜合考慮飛機(jī)供水系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，充分借鑒其他防除冰技術(shù)的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)供水管道防冰熱載荷進(jìn)行理論分析與計(jì)算，提出一種飛機(jī)管道防冰設(shè)計(jì)方法，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。

1 飛機(jī)供水管道防冰設(shè)計(jì)方案

飛機(jī)供水管道一般采用圓管，因大部分管道安裝在飛機(jī)下方的設(shè)備艙中，屬于非溫控區(qū)域，在寒冷的冬季或者高空飛行時(shí)，溫度很可能會(huì)降至0℃以下。本文在對(duì)飛機(jī)供水系統(tǒng)管道進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)時(shí)，采用被動(dòng)式和主動(dòng)式溫度控制相結(jié)合的方式，即同時(shí)在管道外側(cè)增加保溫層和加熱層，各層之間采用硅橡膠層（RTV）材料填充。因此，供水系統(tǒng)管道防冰設(shè)計(jì)采用多層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)至外依次為管道、內(nèi)層RTV、加熱層、外層RTV以及保溫層，無(wú)防冰設(shè)計(jì)的管道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

有防冰設(shè)計(jì)的管道結(jié)構(gòu)如圖2所示。

飛機(jī)供水管道防冰設(shè)計(jì)需滿足兩個(gè)條件：（1）電加熱層正常工作時(shí)，應(yīng)保證管道內(nèi)水溫不低于0℃；（2）電加熱層沒(méi)有工作時(shí)，管內(nèi)水溫應(yīng)在一定時(shí)間內(nèi)保證不低于0℃。由于供水系統(tǒng)水箱同樣存在保溫設(shè)計(jì)，且水在流動(dòng)時(shí)不容易結(jié)冰，因此在設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮水在靜止條件時(shí)的熱量傳遞。

對(duì)于單位管長(zhǎng)，水溫從初始溫度降至0℃所釋放出來(lái)的總熱量Q為

[Q=cmΔtwater=cρπr12Δtwater] （1）

式（1）中，c為水的比熱容，J/（kg·K）；m為單位管長(zhǎng)水的質(zhì)量，kg；Δtwater為水溫度的變化量，℃；ρ為水的密度，kg/m3；r1為水管的內(nèi)半徑，m。故單位管長(zhǎng)在τ時(shí)間內(nèi)所散失的平均熱量，即防冰熱載荷為

[Φl=Qτ] （2）

式（2）中，τ為時(shí)間，s。此外，這些熱量是透過(guò)一層層圓柱壁面向外傳遞的，根據(jù)傳熱過(guò)程方程可得

[Φl=twater-tairRi=twater-tairRh1+Rλ1+Rλ2+Rλ3+Rλ4+Rλ5+Rh2" " " " （3）]

式（3）中，twater和tair分別為管內(nèi)水和管外空氣的平均溫度，℃；Ri為熱量從管內(nèi)水傳遞給周?chē)h(huán)境氣體這一傳熱過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)單位管長(zhǎng)的傳熱熱阻，具體如下：

1） 管道內(nèi)壁與水之間的對(duì)流換熱熱阻Rh1

[Rh1=1hinAin=12πr1hin] （4）

式（4）中，hin為管道內(nèi)壁與水之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Ain為單位管長(zhǎng)的對(duì)流換熱面積，m2；r1為水管的內(nèi)半徑，m。

2） 每圓柱壁面即供水管道、內(nèi)層RTV、加熱層、外層RTV以及保溫層的導(dǎo)熱熱阻Rλ，i

[Rλ，i=12πλilnri+1ri] （5）

式（5）中，λi為每層圓柱壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；ri、ri+1分別為圓柱壁面的內(nèi)外半徑，m。

3） 外側(cè)與空氣之間的對(duì)流換熱熱阻

[Rh2=1houtAout=12πr6hout] （6）

式（6）中，hout為管道保溫層外側(cè)與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Aout為單位管長(zhǎng)外側(cè)的對(duì)流換熱面積，m2；r6為管道保溫層的外半徑，m。據(jù)此，便可獲得應(yīng)需保溫層的厚度；管道熱損失管長(zhǎng)Φl，即為單位管長(zhǎng)加熱層所需的熱載荷。

此外，若計(jì)算所得保溫層厚度為負(fù)值，則說(shuō)明無(wú)須添加保溫層即可滿足供水管道防冰設(shè)計(jì)需求；若計(jì)算所得保溫層厚度過(guò)大，可能無(wú)法在飛機(jī)上使用，需要更換導(dǎo)熱系數(shù)更小的材料或采用其他方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 飛機(jī)供水管道防冰設(shè)計(jì)示例

參考極寒天氣條件，假定管內(nèi)初始水溫，即水箱供水溫度為5℃；管道周?chē)h(huán)境空氣溫度tair為-40℃；管道內(nèi)半徑為10mm。對(duì)于單位管長(zhǎng)，水溫從5℃降至0℃所釋放出來(lái)的總熱量（顯熱）Q為：

[Q=cρπr12Δtwater=4.2×103×103×3.1415×0.012×5=6597.344J] （7）

假定電加熱層沒(méi)有工作時(shí)，管道防冰設(shè)計(jì)應(yīng)滿足水溫在10分鐘（min）之內(nèi)不低于0℃，則單位時(shí)間單位管長(zhǎng)所散失的熱量，即防冰熱載荷為：

[Φl=Qτ=6597.34410×60=10.9956W] （8）

假設(shè)管道內(nèi)壁與水之間的對(duì)流換熱系數(shù)hin為350 W/（m2·K），保溫層外壁面與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)hout為5 W/（m2·K），則兩側(cè)對(duì)流換熱熱阻分別為：

[Rh1=1hinAin=12πr1hin=12×3.1415×0.01×350=0.0455K/W" " " " （9）]

[Rh2=1houtAout=12πr6hout=12×3.1415×r6×5=0.03181r6K/W" " " " " （10）]

根據(jù)供水系統(tǒng)管道實(shí)際情況，合理選擇供水管道、RTV層、加熱層、保溫層等材料物性參數(shù)，假定各層材料厚度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等分別如表1所示。

則單位管長(zhǎng)各層導(dǎo)熱熱阻分別為：

[Rλ1=12πλ1lnr2r1=12×3.1415×0.16ln0.0150.01=0.4033K/W] （11）

[Rλ2=12πλ2lnr3r2=12×3.1415×0.8ln0.0160.015=0.0128K/W] （12）

[Rλ3=12πλ3lnr4r3=12×3.1415×3ln0.0170.016=0.0032K/W] （13）

[Rλ4=12πλ4lnr5r4=12×3.1415×0.8ln0.0180.017=0.0114K/W" " （14）]

[Rλ5=12πλ5lnr6r5=12×3.1415×0.024lnr60.018=6.6315lnr60.018K/Wnbsp; " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （15）]

聯(lián)立公式（3）、（8）—（15），可得方程：

[twater-tairΦl=12πr1?1hin+12πλ1?lnr2r1+12πλ2?lnr3r2+][12πλ3?lnr4r3+12πλ4?lnr5r4+12πλ5?lnr6r5+12πr6?1hout] （16）

式（16）中，twater為管內(nèi)水的平均溫度，取冷卻過(guò)程的平均溫度，即2.5℃。經(jīng)計(jì)算整理可得：

[6.6315?lnr60.018+0.0318?1r6=3.389] （17）

求解該超越方程，即可求出：

r6 = 0.02471m ≈ 25mm，即保溫層的厚度應(yīng)為：

δ = r6 – r5 = 25-18 = 7 mm" （18）

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1" 物理模型

首先考慮設(shè)備艙環(huán)境因素的影響，建立飛機(jī)供水管道的物理模型，對(duì)設(shè)備艙截面進(jìn)行建模時(shí)參考ARJ700尺寸，將機(jī)身截面近似為圓形，假定設(shè)備艙寬3m，高1.1m，忽略其他設(shè)備的影響。供水管道與前一部分的設(shè)計(jì)保持一致，即：

1） 內(nèi)半徑10mm，管壁厚5mm，無(wú)防冰設(shè)計(jì)時(shí)所建模型如圖3所示；

2） 增加防冰設(shè)計(jì)后，在管壁外側(cè)依次增加內(nèi)層RTV、加熱層、外層RTV和保溫層的厚度，分別為1mm、1mm、1mm、7mm，如圖4所示。

3.2" 數(shù)學(xué)模型

在仿真計(jì)算時(shí)需求解守恒方程，包含質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。其中，質(zhì)量守恒方程為

[?ρ?τ+?ρu?x=0]" （19）

x和y方向上的動(dòng)量守恒方程分別為

[?ρu?τ+divρu?u=divμ?gradu-?p?x+Sx] （20）

[?ρv?τ+divρv?u=divμ?gradv-?p?y+Sy]

（21）

能量守恒方程為

[?ρT?τ+divρT?u=divkcp?gradT+ST] （22）

以上各式中：ρ為密度，kg/m3；τ為時(shí)間，s；u為速度張量；u、v分別為x、y方向上的速度分量，m/s；μ為流體的動(dòng)力粘性，Pa·s；p為壓強(qiáng)，Pa；T為溫度，K；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；cp為比熱容，J/（kg·K）；ST為廣義源項(xiàng)。

3.3" 網(wǎng)格劃分及其無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本文采用ANSYS-ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在保障網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)減小網(wǎng)格數(shù)目。管道和設(shè)備艙壁面處底層網(wǎng)格尺寸選擇為1mm，并進(jìn)行邊界層網(wǎng)格加密。兩種情況下的網(wǎng)格劃分如圖5和圖6所示。

為保證仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，還需進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。本文分別采用4種網(wǎng)格，對(duì)供水管道防冰熱載荷進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)目及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

不難看出，網(wǎng)格數(shù)目為2.84萬(wàn)時(shí)，所得艙內(nèi)空氣平均溫度與網(wǎng)格數(shù)目為11.2萬(wàn)時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果誤差已在0.2%以?xún)?nèi)，故本文在仿真計(jì)算時(shí)采用的網(wǎng)格數(shù)目為2.84萬(wàn)。

3.4" 計(jì)算條件設(shè)置

在采用數(shù)值模擬方法對(duì)飛機(jī)供水管道防冰熱載荷進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，共對(duì)四種情況下的流動(dòng)換熱進(jìn)行研究和分析，分別如下：

（1） 管道無(wú)防冰設(shè)計(jì)時(shí)，采用穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，以驗(yàn)證系統(tǒng)是否會(huì)結(jié)冰；

（2） 管道無(wú)防冰設(shè)計(jì)時(shí)，采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，以獲取管內(nèi)初始水溫為5℃時(shí)的結(jié)冰時(shí)間；

（3） 管道采用防冰設(shè)計(jì)后，加熱層不工作，采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，以獲取管內(nèi)初始水溫為5℃時(shí)的結(jié)冰時(shí)間，以驗(yàn)證系統(tǒng)在不加熱時(shí)是否滿足管道防冰需求；

（4） 管道采用防冰設(shè)計(jì)后，加熱層工作，采用穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，以驗(yàn)證系統(tǒng)在加熱時(shí)是否滿足管道防冰需求。

仿真計(jì)算時(shí)，主要邊界條件設(shè)置如下：

1） 座艙地板溫度為15℃；

2） 蒙皮溫度為-40℃；

3） 艙內(nèi)空氣、水為自然對(duì)流，無(wú)初始速度；

4） 非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，初始水溫為5℃，時(shí)間步長(zhǎng)為1s，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為30min。

3.5" 飛機(jī)水廢水管道防冰熱載荷仿真計(jì)算分析

3.5.1 無(wú)防冰設(shè)計(jì)時(shí)飛機(jī)供水管道穩(wěn)態(tài)仿真

首先，對(duì)采用無(wú)防冰設(shè)計(jì)的管道在設(shè)備艙時(shí)的穩(wěn)態(tài)熱特性進(jìn)行研究，分析管內(nèi)水溫是否會(huì)降至0℃以下，以驗(yàn)證系統(tǒng)是否會(huì)結(jié)冰，從而判定其是否需要防冰設(shè)計(jì)。當(dāng)?shù)?0000次時(shí)，計(jì)算基本收斂，管內(nèi)水及設(shè)備艙空氣溫度隨迭代次數(shù)變化曲線如圖7所示。可以看出，計(jì)算已經(jīng)收斂，管內(nèi)水的平均溫度和設(shè)備艙中的空氣平均溫度均降至245K以下，因此管道很可能發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，需要進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)。

設(shè)備艙截面溫度和速度分布云圖如圖8和圖9所示?？梢钥闯?，設(shè)備艙內(nèi)溫度從上向下呈現(xiàn)明顯的分層分布，上面靠近座艙，溫度較高，下方溫度較低；艙內(nèi)自然對(duì)流速度較低，基本呈對(duì)稱(chēng)分布。

3.5.2 無(wú)防冰設(shè)計(jì)時(shí)飛機(jī)供水管道非穩(wěn)態(tài)仿真

假定初始管內(nèi)水溫為5℃，對(duì)采用無(wú)防冰設(shè)計(jì)的管道在設(shè)備艙時(shí)的非穩(wěn)態(tài)熱特性進(jìn)行研究，分析管內(nèi)水溫需要多久會(huì)降至0℃以下，以驗(yàn)證系統(tǒng)是否會(huì)在10min之內(nèi)結(jié)冰，從而判定其是否需要防冰設(shè)計(jì)。無(wú)防冰設(shè)計(jì)時(shí)管道內(nèi)水及設(shè)備艙空氣溫度隨時(shí)間變化曲線如圖10所示?？梢钥闯觯艿乐械乃?0min之內(nèi)會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，具體是在535s后將發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，因此需要對(duì)其進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)。

圖11為無(wú)防冰設(shè)計(jì)時(shí)管道及水的溫度隨時(shí)間變化分布云圖（時(shí)間為0～10min，間隔2min），同樣可以看出，管內(nèi)水的溫度隨時(shí)間逐漸降低，且在10min內(nèi)會(huì)降至0℃以下。

3.5.3 采用防冰設(shè)計(jì)后飛機(jī)供水管道非穩(wěn)態(tài)仿真

采用防冰設(shè)計(jì)后，假定初始管內(nèi)水溫為5℃，不開(kāi)啟加熱層，對(duì)其在設(shè)備艙時(shí)的非穩(wěn)態(tài)熱特性進(jìn)行研究，分析管內(nèi)水溫需要多久會(huì)降至0℃以下，以驗(yàn)證其是否會(huì)在10min之內(nèi)結(jié)冰，判定其是否符合防冰設(shè)計(jì)需求。防冰設(shè)計(jì)后管道內(nèi)水及設(shè)備艙空氣的平均溫度隨時(shí)間變化曲線如圖12所示。

從圖12中可以看出，對(duì)管道進(jìn)行防冰設(shè)計(jì)后，若加熱層不工作，初始水溫為5℃時(shí)，供水管道結(jié)冰時(shí)間約為23min，在10min內(nèi)不會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，已符合系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)需求。

類(lèi)似地，對(duì)管道及水的溫度分布云圖隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行分析。因結(jié)冰時(shí)間延長(zhǎng)，選擇0～25min，時(shí)間間隔為5min，管道及水的溫度分布云圖如圖13所示。同樣可以看出，管內(nèi)水的溫度隨時(shí)間逐漸減低，但降低速度大幅減少，在20min以后溫度才會(huì)低于0℃。

3.5.4 采用防冰設(shè)計(jì)后飛機(jī)供水管道穩(wěn)態(tài)仿真

最后，采用防冰設(shè)計(jì)后的管道加熱層維持工作狀態(tài)，對(duì)其在設(shè)備艙時(shí)的穩(wěn)態(tài)熱特性進(jìn)行研究，驗(yàn)證管內(nèi)水溫是否會(huì)降至0℃以下，以驗(yàn)證系統(tǒng)防冰設(shè)計(jì)是否滿足需求。

圖14為防冰設(shè)計(jì)后管道內(nèi)水及設(shè)備艙空氣溫度隨迭代次數(shù)變化曲線，迭代次數(shù)為10萬(wàn)次。從中可以看出，計(jì)算已經(jīng)收斂，此時(shí)空氣溫度仍在245K左右，但管內(nèi)水溫約為279.65K，即6.5℃左右，已滿足設(shè)計(jì)需求。

防冰設(shè)計(jì)后設(shè)備艙截面的溫度分布云圖如圖15所示。

可以看出，設(shè)備艙溫度仍呈分層分布，管內(nèi)水溫都在275K～280K之間，能夠滿足加熱層持續(xù)工作時(shí)管內(nèi)水不能結(jié)冰的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)飛機(jī)供水管道的防冰設(shè)計(jì)需求，提出了一種防冰設(shè)計(jì)及熱載荷計(jì)算方法，結(jié)合其工作環(huán)境及設(shè)備材料參數(shù)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。結(jié)果表明：

（1） 采用所提管道防冰設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的多層防冰結(jié)構(gòu)能夠滿足其防冰設(shè)計(jì)需求；

（2） 在本文設(shè)計(jì)條件下，增加保溫層后，能夠大幅延長(zhǎng)管道內(nèi)水的結(jié)冰時(shí)間，從8.9min延長(zhǎng)至23min；

（3） 在本文設(shè)計(jì)條件下，當(dāng)加熱層持續(xù)工作時(shí)，可將管內(nèi)水溫維持在6.5℃左右，能夠保證管道中的水不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。

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責(zé)任編校：劉 燕，孫詠梅

Research on Anti-icing Design and Thermal Load Calculation of Civil AircraftWater Supply Pipeline

ZHANG Helei，LAN Yingying，HAN Yuhang，LUO Zhenhua，WANG Haoyu，LI Shaoheng

（School of Aero Engine，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：The water supply pipelines on civil aircraft are almost located at the bottom of the equipment cabin without temperature control，and almost run through the entire aircraft.In low-temperature environments，icing is likely to occur.In this paper，an anti-icing design method for civil aircraft water pipelines is proposed，based on the energy conservation and the theory of multi-layer circular tube heat transfer.The required parameters are reasonably assumed，and the anti-icing design for water pipeline is attempted.In order to verify the method，the numerical simulation methods is adopted，too.The results indicate that it is necessary to carry out anti-icing design for aircraft water supply pipelines，and the method proposed can meet its anti-icing design requirements，providing theoretical basis and data support for the anti-icing design.

Key words：civil aircraft water supply system; pipeline anti-icing design; thermal load; simulation

收稿日期：2023-11-27

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專(zhuān)項(xiàng)（科技攻關(guān)）項(xiàng)目（212102210315）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（21B590003）;鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃基金項(xiàng)目（2023CX58）

作者簡(jiǎn)介：張賀磊，男，博士，講師，研究方向?yàn)轱w行器環(huán)境控制、多相流動(dòng)與傳熱等。