新型飞机除冰液加热管的优化设计
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ＷＵＭｅｎｇｌｉ，ＬＩＹｕｎｐｅｎｇ，ＮＩＥ Ｑｉ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＮｅｗ ＨｅａｔｉｎｇＴｕｂｅｆｏｒＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｉｃｉｎｇＦｌｕｉｄ［Ｊ］． ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２０，４８（３）：１４１－１４５．
新型飞机除冰液加热管的优化设计
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅ；Ｄｅｉｃｉｎｇｆｌｕｉｄ；Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｍｏｄｅｌ；Ｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
０ 前言 冬季飞机表面容易凝结冰雪，这些冰雪将破坏飞
机的空气动力 学 性 能，使 飞 行 存 在 严 重 的 安 全 隐 患。 因此，飞机地面除冰是冬季民航飞行安全的重要保障。 除冰作业需要将大量的高黏度除冰液快速加热到工作 温度，进而喷洒到飞机表面去除冰雪。本文作者对加 热管进行优化设计，构造一种新型异型管，用以提高 除冰液的加热效率。
吴孟丽，李云鹏，聂琪，王驰宇，龚淼
（中国民航大学航空工程学院，天津 ３００３００）
摘要：飞机地面除冰系统是保障冰雪天气民航飞行安全的重要装备，加热管是该系统的关键元件。为满足对高黏度除 冰液的快速加热需求，提出一种新型双螺旋梯形槽管。建立以槽深 ｈ、上底宽 ｍ、底角 θ为结构特征参数的异型管数学模 型，采用多项式函数构建响应面近似模型，综合考虑结构参数对努塞尔数、阻力系数和综合评价指标的影响。利用非支配 排序遗传算法进行多目标优化，筛选得到结构参数的 Ｐａｒｅｔｏ最优解集。结果表明：当 ｈ∈［１０６，１０８］、ｍ∈［０１７高了 ７８７％，综合评价指标提高了 ６０％～６２％。优化后的异型管可实现除冰液的快 速加热，有利于提高航班正点率。
目前，国内外学者主要从拓展表面和增强旋流 ２ 个角度 开 展 了 大 量 针 对 异 型 管 的 设 计 与 传 热 研 究。 ＴＡＮＤＡ［１］提出通过拓展换热面积，使用重复的肋条来
促进湍流并增强对流传热的总体性能，评估了由肋条 相对于光滑通道引起的传热增强的程度。ＭＯＭＩＮ等［２］ 通过实验分析了 Ｖ形肋的几何参数对矩形管的传热和 流体流动特性的影响，与光滑管的传热数据进行比较， 得到异型 管 的 传 热 增 强 幅 度。ＴＡＮＧ等［３］比 较 了 扭 转 三叶管和扭曲椭圆管的湍流特性和传热性能，数值研 究了几何参数对不同扭曲螺旋管传热性能和流动特性 的影响。ＫＡＲＡＭＩ等［４］探讨了均匀壁温条件下水平波 纹管内流体流动的传热，对不同波纹深度下流体的传 热速率和雷诺 数 的 变 化 做 了 深 入 研 究。ＥＢＲＡＨＩＭＩ和 ＲＯＯＨＩ［５］从增强二次旋流的角度研究了恒温壁加热的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｇｒｏｕｎｄｄｅｉｃｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｏｅｎｓｕｒｅｃｉｖｉｌａｖｉａｔｉｏｎｓａｆｅｔｙｉｎｓｎｏｗｗｅａｔｈｅｒ．Ｔｈｅｈｅａｔ ｉｎｇｔｕｂｅｉｓｃｒｕｃｉａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｄｏｕｂｌｅｓｐｉｒａｌｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌｇｒｏｏｖｅｄｔｕｂｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｈｅａｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ ｈｉｇｈｖｉｓｃｏｓｉｔｙｄｅｉｃｉｎｇｆｌｕｉｄ．Ｔｈｅｇｒｏｏｖｅｄｅｐｔｈ（ｈ），ｕｐｐｅｒｂａｓｅｗｉｄｔｈ（ｍ）ａｎｄｂａｓｅａｎｇｌｅ（θ）ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅ．Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅａｐｐｒｏｘｉ ｍａｔｅｍｏｄｅｌ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｏｎＮｕｓｓｅｌｔｎｕｍｂｅｒ，ｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎ ｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅｎｏｎｄｏｍｉｎａｎｔｓｏｒｔｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＩＩｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅＰａｒｅｔｏｓｏｌｕｔｉｏｎｓｅｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔＮｕｓｓｅｌｔｎｕｍｂｅｒｉｍｐｒｏｖｅｓ ７８７％ ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｉｍｐｒｏｖｅｓ６０％～６２％ ｗｈｅｎｈ∈［１０６，１０８］，ｍ∈［０１７，０３３］，θ∈［８４０６， ８４７５］．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｒａｐｉｄｈｅａｔｉｎｇｏｆｄｅｉｃｉｎｇｆｌｕｉｄ，ＪＰｗｈｉｃｈｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｐｕｎｃ ｔｕａｌｉｔｙｒａｔｅｏｆｆｌｉｇｈｔｉｎｗｉｎｔｅｒ．
２０２０年 ２月 第 ４８卷 第 ３期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ２０２０ Ｖｏｌ４８Ｎｏ３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０２００３０３１ 本文引用格式：吴孟丽，李云鹏，聂琪，等．新型飞机除冰液加热管的优化设计［Ｊ］．机床与液压，２０２０，４８（３）：１４１－１４５．
关键词：异型管；除冰液；响应面近似模型；多目标优化 中图分类号：ＴＨ１２２；ＴＫ１７２
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＮｅｗ ＨｅａｔｉｎｇＴｕｂｅｆｏｒＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｉｃｉｎｇＦｌｕｉｄ
ＷＵＭｅｎｇｌｉ，ＬＩＹｕｎｐｅｎｇ，ＮＩＥＱｉ，ＷＡＮＧＣｈｉｙｕ，ＧＯＮＧＭｉａｏ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３００，Ｃｈｉｎａ）
新型飞机除冰液加热管的优化设计
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅ；Ｄｅｉｃｉｎｇｆｌｕｉｄ；Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｍｏｄｅｌ；Ｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
０ 前言 冬季飞机表面容易凝结冰雪，这些冰雪将破坏飞
机的空气动力 学 性 能，使 飞 行 存 在 严 重 的 安 全 隐 患。 因此，飞机地面除冰是冬季民航飞行安全的重要保障。 除冰作业需要将大量的高黏度除冰液快速加热到工作 温度，进而喷洒到飞机表面去除冰雪。本文作者对加 热管进行优化设计，构造一种新型异型管，用以提高 除冰液的加热效率。
吴孟丽，李云鹏，聂琪，王驰宇，龚淼
（中国民航大学航空工程学院，天津 ３００３００）
摘要：飞机地面除冰系统是保障冰雪天气民航飞行安全的重要装备，加热管是该系统的关键元件。为满足对高黏度除 冰液的快速加热需求，提出一种新型双螺旋梯形槽管。建立以槽深 ｈ、上底宽 ｍ、底角 θ为结构特征参数的异型管数学模 型，采用多项式函数构建响应面近似模型，综合考虑结构参数对努塞尔数、阻力系数和综合评价指标的影响。利用非支配 排序遗传算法进行多目标优化，筛选得到结构参数的 Ｐａｒｅｔｏ最优解集。结果表明：当 ｈ∈［１０６，１０８］、ｍ∈［０１７高了 ７８７％，综合评价指标提高了 ６０％～６２％。优化后的异型管可实现除冰液的快 速加热，有利于提高航班正点率。
目前，国内外学者主要从拓展表面和增强旋流 ２ 个角度 开 展 了 大 量 针 对 异 型 管 的 设 计 与 传 热 研 究。 ＴＡＮＤＡ［１］提出通过拓展换热面积，使用重复的肋条来
促进湍流并增强对流传热的总体性能，评估了由肋条 相对于光滑通道引起的传热增强的程度。ＭＯＭＩＮ等［２］ 通过实验分析了 Ｖ形肋的几何参数对矩形管的传热和 流体流动特性的影响，与光滑管的传热数据进行比较， 得到异型 管 的 传 热 增 强 幅 度。ＴＡＮＧ等［３］比 较 了 扭 转 三叶管和扭曲椭圆管的湍流特性和传热性能，数值研 究了几何参数对不同扭曲螺旋管传热性能和流动特性 的影响。ＫＡＲＡＭＩ等［４］探讨了均匀壁温条件下水平波 纹管内流体流动的传热，对不同波纹深度下流体的传 热速率和雷诺 数 的 变 化 做 了 深 入 研 究。ＥＢＲＡＨＩＭＩ和 ＲＯＯＨＩ［５］从增强二次旋流的角度研究了恒温壁加热的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｇｒｏｕｎｄｄｅｉｃｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｏｅｎｓｕｒｅｃｉｖｉｌａｖｉａｔｉｏｎｓａｆｅｔｙｉｎｓｎｏｗｗｅａｔｈｅｒ．Ｔｈｅｈｅａｔ ｉｎｇｔｕｂｅｉｓｃｒｕｃｉａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｄｏｕｂｌｅｓｐｉｒａｌｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌｇｒｏｏｖｅｄｔｕｂｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｈｅａｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ ｈｉｇｈｖｉｓｃｏｓｉｔｙｄｅｉｃｉｎｇｆｌｕｉｄ．Ｔｈｅｇｒｏｏｖｅｄｅｐｔｈ（ｈ），ｕｐｐｅｒｂａｓｅｗｉｄｔｈ（ｍ）ａｎｄｂａｓｅａｎｇｌｅ（θ）ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅ．Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅａｐｐｒｏｘｉ ｍａｔｅｍｏｄｅｌ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｏｎＮｕｓｓｅｌｔｎｕｍｂｅｒ，ｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎ ｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅｎｏｎｄｏｍｉｎａｎｔｓｏｒｔｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＩＩｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅＰａｒｅｔｏｓｏｌｕｔｉｏｎｓｅｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔＮｕｓｓｅｌｔｎｕｍｂｅｒｉｍｐｒｏｖｅｓ ７８７％ ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｉｍｐｒｏｖｅｓ６０％～６２％ ｗｈｅｎｈ∈［１０６，１０８］，ｍ∈［０１７，０３３］，θ∈［８４０６， ８４７５］．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｐｅｃｉａｌｔｕｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｒａｐｉｄｈｅａｔｉｎｇｏｆｄｅｉｃｉｎｇｆｌｕｉｄ，ＪＰｗｈｉｃｈｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｐｕｎｃ ｔｕａｌｉｔｙｒａｔｅｏｆｆｌｉｇｈｔｉｎｗｉｎｔｅｒ．
２０２０年 ２月 第 ４８卷 第 ３期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ２０２０ Ｖｏｌ４８Ｎｏ３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０２００３０３１ 本文引用格式：吴孟丽，李云鹏，聂琪，等．新型飞机除冰液加热管的优化设计［Ｊ］．机床与液压，２０２０，４８（３）：１４１－１４５．
关键词：异型管；除冰液；响应面近似模型；多目标优化 中图分类号：ＴＨ１２２；ＴＫ１７２
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＮｅｗ ＨｅａｔｉｎｇＴｕｂｅｆｏｒＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｉｃｉｎｇＦｌｕｉｄ
ＷＵＭｅｎｇｌｉ，ＬＩＹｕｎｐｅｎｇ，ＮＩＥＱｉ，ＷＡＮＧＣｈｉｙｕ，ＧＯＮＧＭｉａｏ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３００，Ｃｈｉｎａ）