基于CFD的水收集系数及防冰表面温度预测_卜雪琴
二维多层复合材料飞机风挡电热防冰系统数值模拟_免费下载
浅谈变频技术在局部通风机中的应用
珲春矿业集团公司英安煤矿 刘中军
［摘 要］本文首先阐述了局部通风机的工作原理，其次介绍了变频调速的相关知识，重点论述变频调速技术在局部通风机中的应 用。 ［关键词］变频技术 局部通风机 应用
0.引言 矿用局部通风机是煤矿井下掘进通风和瓦斯排放必不可少的重要 设备，承担着为掘进工作面提供新鲜风流、排出有害气体和粉尘、改善 工作面环境条件以及瓦斯积聚后对其进行排放的重要任务，它的工作 可靠性和操作灵活性直接影响着矿井的安全生产。长期以来，我国局 部通风机的控制设备陈旧、技术落后、性能不可靠、功能不健全、设备布 置分散、维护困难，无法满足掘进工作面连续通风和瓦斯安全排放的要 求，这种局面大大制约着我国煤矿井下安全生产技术的发展。因此对 矿用通风机进行技术改造、提高其经济运行效益，具有重要的现实和长 远的意义。研究局部通风机的变频调速系统，是矿山节能降耗的重要 课题。 1.局部通风机的工作原理 为井下局部通风地点通风的通风机称为局部通风机。局部通风机 分为离心式局部通风机和轴流式局部通风机。目前我国煤矿主要使用 轴流式局部通风机。 1.1 离心式局部通风机工作原理 离心式通风机的叶轮在电动机的带动下随机轴一起高速旋转，叶 片间的气体在离心式作用下由径向甩出，同时在叶轮的吸气口形成真 空，外界气体压力作用下被吸入叶轮，以补充排出的气体。由叶轮甩出 的气体进入机壳后备压向风道，如此源源不断地将气体输送到通风管 网中。气体在离心式通风机的外壳内，由吸气口到排气口经过一个 90 度的回转。气体进入通风机时，方向是和通风机的机轴平行，而离开通 风机时，方向却变得和机轴相垂直了，所以它能够自然地适应通风管道 中 90 度的转弯。离心式通风机不具有逆转的特性，如果强使其倒转 时，通风机仍向正常方向输送空气，但是它所造成的压力要减少 2/3~4/ 5,而输送的空气量将减少 40%~60%。
南水北调中线冰情演变水温与气温阈值研究
南水北调中线冰情演变水温与气温阈值研究
李程喜;段文刚;卢明龙;黄明海;滕素芬
【期刊名称】《水利科学与寒区工程》
【年(卷),期】2022(5)2
【摘要】南水北调中线工程冬季存在复杂的冰情,影响工程正常输水。
为更好地进行冰期输水调度,需要在冬季进行南水北调中线干渠的冰情预报工作。
南水北调中线冰情影响因素复杂,冰情初生和转换时气温和水温的阈值是冰情预报模型中的重要判断标准。
文章通过对冰情原型观测资料的收集与整理,总结了岸冰、流冰和冰盖初生时日最低气温主要分布在:-8.0~-4.0℃、-15.0~-5.0℃、-15.0~-7.0℃,日平均水温主要分布在:2.5~4.5℃、1.0~2.0℃、0.1~0.5℃,并分析了渠道边坡系数对岸冰初生的影响。
【总页数】5页(P4-8)
【作者】李程喜;段文刚;卢明龙;黄明海;滕素芬
【作者单位】长江水利委员会长江科学院;南水北调中线干线工程建设管理局【正文语种】中文
【中图分类】P338.4;TV68
【相关文献】
1.冬季气温、水温对冰情的影响
2.南水北调中线总干渠冰情预测模型参数敏感性分析及率定
3.南水北调中线工程冰期输水冰情及措施研究
4.南水北调中线
2014~2015年度冬季冰情原型观测5.长江科学院顺利完成南水北调中线干线工程2019—2020年度冰情现场观测工作
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防冰热载荷计算的一种新方法_卜雪琴
模型等), 介 质材料 物性参 数及 各相(空气 和水
滴), 操作条件及边界条件 , 其中空气相为不可压
流 , 采用一阶迎风格式离散方程 , 调整松弛因子计
算控制方程使之收敛 。
q 相质量守恒方程
n
∑ t(αqρq) +Δ
(αqρqvq) = mpq p =1
(3)
q 相动量守恒方程
t(αqρqvq) +Δ (αq ρqvqvq) =- αq Δp +Δ τq +
防冰热功率 P 计算公式
P = ∑qn ΔS
(12)
式中 :ΔS 为物体壁面网格单元的面积 。
式(7)和式(10)中 hs 的计算式如下 : 平板层流
hs =0. 332 Res 1 /2 Pr 1 /3
λ s
(13)
平板紊流
hs =0. 0296 Res0. 8 Pr 1 /3
λ s
(14)
n
∑ αqρqg + (Rpq +mpqvpq) +αqρq(Fq +Flift , q +FVm, q) p =1
(4) 式中 :vq 为 q 相的速度 ;m pq 为第 p 相到 q 相的质 量传递 ;τq 为第 q 相的压力应变张量 ;Fq 为外部 体积力 ;Flift , q 为升力 ;FVm, q 为虚拟质量力 ;Rpq 为相 之间的相互作用力 ;p 为压力 。空气相采用的湍 流模 型选 为 标准 k-ε二 方 程模 型 。 详见 F L UEN T User’ s Gui de 里的多相流欧拉模型 。
管道冰水两相流动阻力特性的数值模拟
管道冰水两相流动阻力特性的数值模拟邓义斌;王飞显;范世东【摘要】Ignoring phase transition ,numerical simulation study was carried out on resistance charac‐teristics of the ice‐water two‐phase flow in horizontal pipes based on Fluent ;First of all ,the effect of different collision elastic recovery coefficients of the solid particles on the pipe pressure loss was as‐sessed ,and pressure loss between the water flow and ice‐watertwo‐phase flow was compared .Then , resistance characteristics of ice‐water two‐phase flow was analyzed under different flow velocity ,parti‐cle diameter ,particle mass flow rate ,wall roughness ,and comparing with sediment flow ;The calcula‐tion results show that collision elastic recovery coefficient ,flow velocity ,particle diameter ,particle mass flow rate have significant influence on resistance characteristics of the two‐phase flow in the pipe .And the descending order of the pipeline flow resistance is ice‐water two‐phase flow ,sediment‐laden flow ,water .%在忽略相变的前提下，利用 Fluent对水平管内冰水两相流动的阻力特性开展数值模拟研究。
全文-静水条件下淡水冰有效导温系数的优化辨识
收稿日期:2005201212;修改稿收到日期:20052052101基金项目:国家自然科学基金(50179003);国家自然科学基金重点项目(40233032)资助项目1作者简介:白乙拉3(19612),男(蒙古族),博士生,副教授;李志军(19602),男,博士,教授,博士生导师1第24卷第2期2007年4月 计算力学学报 Chinese Journal of Computational MechanicsVol.24,No.2April 2007文章编号:100724708(2007)022*******静水条件下淡水冰有效导温系数的优化辨识白乙拉31,2, 李志军3, 冯恩民1, 韩 明3, 卢 鹏3(1.大连理工大学应用数学系,大连116024;2.内蒙古民族大学数学与计算机学院,通辽028000;3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116024)摘 要:依据天然河冰垂直温度剖面数据,构造了以拟合函数的系数为参变量的分布参数系统优化辨识模型,并分别用指数函数和线性函数拟合了河冰导温系数。
对目标函数的优化采用Newton 2Raphson 算法,对热传导方程和灵敏度方程采用半隐式差分格式迭代求解。
利用太原汾河二库天然冰垂直温度剖面数据进行了参数辨识和数值模拟,模拟结果与实测数据相吻合,表明所构造的参数辨识模型和优化算法是有效的。
关键词:参数辨识;最优控制;导温系数;河冰中图分类号:P461.6;P332.8;O232 文献标识码:A1 引言高纬度地区的河流、湖泊、水库冬季会形成冰盖,继而可能导致冰冻期或开河期的冰塞,甚至产生凌汛等灾害,因此河冰热力学、河冰水力学的研究一直受到人们的重视。
近几年来,国内外冰2水力学专家针对河冰热力、水流、冰冻数学模型及其数值模拟做了许多研究。
主要以非恒定流河冰的冰塞、冰盖厚度的增长和消融以及水内冰的形成演变等为主线[124]。
数学模型基本以一维方程为主,模型中的热力学参数均使用经验性的常数,忽略了诸如导温系数等热力学参数依赖于温度的变化关系。
基于FLUENT的飞机机翼积冰的数值模拟
基于FLUENT的飞机机翼积冰的数值模拟张义浦;张志春;赵秀影【摘要】针对机翼结冰问题,提出了一种翼型结冰的数值模拟方法.介绍了适用于本方法的翼型网格划分及流场求解方法;提出了一种适用于CFD的水滴收集系数计算方法.利用Fluent软件的离散项模型(DPM)及用户自定义函数功能(UDF),计算求解了翼型表面的局部水滴收集系数.介绍了积冰过程中的质量守恒和能量守恒过程.基于积冰垂直生长假设,介绍了积冰生长模型.最后利用提出的方法预测了翼型的结冰情况.将用计算得到的三种典型积冰类型同国外冰风洞实验结果做了对比,证明了方法的正确性和准确性.%A numerical simulation method of icing is proposed for wing icing problem.The airfoil meshing and flow field solving method which are applicable for this method are introduced.A calculation method of water droplet collection coefficient is presented.Local water droplet collection coefficient is calculated using the discrete phase model (DPM) and user defined function (UDF) of Fluent;The conservation of mass and energy in the process of ice accretion was presented.Based on the assumption that the growth of ice is vertical, ice growth model is introduced.The icing condition of airfoil was predicted by the method proposed in this paper in the last.To prove the validity of this method, three typical types of ice was calculated by the proposed method and compared with foreign ice wind tunnel results.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)020【总页数】6页(P302-307)【关键词】飞机结冰;数值模拟;水滴撞击特性;离散项模型【作者】张义浦;张志春;赵秀影【作者单位】空军航空大学军事仿真技术研究所,长春 130022;空军航空大学军事仿真技术研究所,长春 130022;空军航空大学军事仿真技术研究所,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】V244.1+5飞机在飞行过程中，如遭遇积冰气象条件，在飞机的所有迎风面都有可能产生积冰，积冰引起飞机的升力减小、阻力变大、操纵性和稳定性恶化[1]。
油水两相流CFD仿真特性研究
第一章绪论1.1 课题研究背景及意义随着我国经济和科技的不断发展，管道运输已成为和铁路、公路、水运、航空并列的五大运输方式之一，成为原油、成品油、天然气、燃气和工业用危险介质的主要运输方式。
从运输费用上来看，管道以其高效和经济而著称。
从能量消耗的角度来讲，输油干线将原油输送1000公里所消耗的能量相当于所输送原油蕴含能量的0.4%。
因此，与其他几种运输方式相比较，管道运输具有连续性好、运输量大、运价便宜和管理方便等优点，广泛应用于城市发展、能源开发、石油石化的基础设施建设等领域，和人民的生活息息相关，是我国的重大生命线。
现代油气管道的历史可以追溯到1869年，美国宾夕法尼亚州建成世界上第一条原油输送管道，这标志着现代管道运输事业的开始。
经过一百多年的发展，管道运输己成为各国国民经济的重要组成部分之一，也是衡量一个国家的能源业与运输业是否发达的特征之一。
目前全世界油气干线管道己超过150万公里，美国、前苏联、加拿大占了三分之二以上。
我国的管道运输事业发展得虽然较晚，但发展很快。
上个世纪70年代，我国相继建成了庆抚线、庆铁线、铁大线、铁秦线、抚辽线、抚鞍线、盘锦线、中朝线等8条管线，率先在东北地区建成了输油管网。
进入90年代以后，我国的长输管道的建设又有了新的突破，并相继建成了一大批油气长输管道。
2003年底，我国油气长输管道累计长度已经达到45865公里，居世界第六。
到2005年，西气东输、陕金二线、忠武线三条输气干线，川渝、京津冀鲁晋、中部、中南、长江三角洲等的区域管网基本完成，象征着我国的管道建设已进入世界先进行列。
因此，在这样的大背景下，以研究油、气、水在管道内流动的多相流理论得到了长足的发展。
另外，为了实现控制和预测油水两相流动系统,除了要知道油水两相流动条件、流体性质及流体组分外,油水流型特征也成为其必不可少的一个重要条件。
1.2 国内外研究现状两相流的最初应用年代可以追溯到阿基米德时代，在如今的工业生产过程中普遍存在着两相流的问题。
用CFD研究潜流人工湿地集水区对其水力学性能的影响
1 物理模型的建立
模拟的潜流人工湿地结构示意如图 1 所示 。选 取图中模拟区域 , 通过合理简化建立具有层式或护 管式集水区结构的潜流人工湿地二维模型 ( 图 2 ) 。 模型主要结构尺寸为进/ 出口直径 2 mm , 湿地宽 200 mm 、高 120 mm 。模 型 的 计 算 网 格 采 用 Gambit 21 21 30 生成 。由于模型结构较为规则 , 因 此选用收敛性很好的四边形网格进行划分 , 并在进 出口 、内部边界等位置进行网格加密 , 优化网格质 量 , 进一步提高计算的收敛性及精确度 。
究生 。
第 12 期
范立维等 : 用 CFD 研究潜流人工湿地集水区对其水力学性能的影响
・3 0 2 5 ・
co uld be imp roved and t he effect of resistance ratio o n hydraulic efficiency co uld be weakened1 Therefore , t he p rotector pat tern catchment area was bet ter t han t he layer pat tern. Key words : catchment ; subsurface flow co nst ructed wetland ; hydraulic performance ; hydraulic efficiency
第 58 卷 第 12 期 2007 年 12 月
化 工 学 报 Vol1 58 No1 12 Journal of Chemical Indust ry and Engineering ( China) December 2007
图1 潜流人工湿地结构示意
气调库湿度场的CFD模拟及加湿设备的影响研究
气调库湿度场的 CFD 模拟及加湿设备的影响研究杨巧银 南晓红西安建筑科技大学环境与市政工程学院摘 要： 通过建立西安某气调库传热、 传质数学物理模型， 根据影响库内湿环境的因素， 模拟贮藏期间库内相对湿 度分布。
本文结合苹果的源项及冷风机的结霜，通过编写 UDF 程序获得苹果水分散失随库内相对湿度变化及冷 风机回风口与送风口含湿量的实时数据， 采用CFD 软件模拟苹果气调库内热质传递现象。
与此同时， 研究加湿器 运行时库内相对湿度的分布， 得出改善库内湿环境的方案。
关键词： 气调库 CFD 相对湿度 冷风机结霜 加湿器CFDSimulation of Humidity Field and Impact of HumidificationEquipment in Controlled Atmosphere StoreYANG Qiaoyin,NAN XiaohongSchool of Environment and Municipal Engineering,Xi ’ an University of Architecture and TechnologyAbstract: Through the establishment mass transfer,heat transfer mathematical model of Controlled Atmosphere (CA)cool room storage in Xi ’ an to simulate the impact of the factors of library Relative Humidity (RH)distribution duringrefrigerated storage.In this paper,in order to consider the apple ’ s source term and the frost of cooler, UserDefinedFunction (UDF)programs were written to get the data of moisture loss changing along the indoor RH and moisture content of cooler's inlet and outlet,a CFD model was developed to predict the heat transfer and airflow inside the storage room.As the same time,meanwhile,humidifier running to get RH distribution was researched,obtained improve humid environment programs.Keywords:CA cool room,CFD,RH,Chiller frost,humidifier收稿日期： 201659作者简介： 杨巧银 （1989~）， 女， 硕士研究生； 西安市碑林区雁塔路13号西安建筑科技大学环境与市政工程学院 （710055）；Email:*****************基金项目： “十一五” 国家科技支撑计划 （2008BAJ08B071）果蔬内部含水量较多，内部相对湿度可视为 100%，经过研究表明气调库内相对湿度需满足90%以 上， 才能防止果蔬在长期贮藏期间水分耗散。
利用CFD技术对开式地表水源热泵吸水方式的改进研究
先 立 物 和何 型 。 建其理几模
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（ ）湍流 动 能输运 方程 １
２３ 边界 条件 的设 定 ． 】 设 定 的边 界条 件 如表 ２所 示 。
表 ２ Ｃ Ｄ模 拟边界条件 设定 Ｆ
３ 模型计算 结果的分析
运 用 Ｆ Ｕ ＮＴ 软件 模拟 计算 ，进 行初 始 化 ， Ｌ Ｅ 迭代 精度 １一 ０ ，迭代 次 数 １０ ０ ０次 ，计 算结 果满 足 精度 要 求 。 ３１ 单 管吸水 流场 温度 分 布 ．
防冰热载荷计算的一种新方法
防冰热载荷计算的一种新方法
卜雪琴;林贵平;彭又新;郁嘉
【期刊名称】《航空学报》
【年(卷),期】2006(027)002
【摘要】提出了一种计算飞机防冰热载荷的新方法,该方法利用CFD软件FLUENT 及其自带的用户自定义函数UDF进行数值模拟.首先用FLUENT的两相流欧拉模型模拟空气-水滴两相流动,进而使用FLUENT内部的数据结构,通过UDF二次开发计算水滴撞击量和防冰热载荷,并且利用FLUENT的后处理功能对计算结果进行可视化图形显示.以某3D迎角传感器为例,进行了三维空气-水滴两相流和防冰热载荷计算,防冰所需热功率计算结果和实验数据误差为7.5%,在工程计算允许范围内.【总页数】5页(P208-212)
【作者】卜雪琴;林贵平;彭又新;郁嘉
【作者单位】北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100083;北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100083;北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100083;北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】V215.5+1
【相关文献】
1.风力机防冰热载荷计算 [J], 朱程香;付斌;孙志国;朱春玲
2.飞机风挡防冰热载荷计算 [J], 韩凤华;左颜声;李东亮
3.计算曲面壳体等效节点热载荷的新方法 [J], 刘云飞;吕军;白瑞祥;高效伟
4.计算防冰系统供气量的一种新方法 [J], 杨新亮;许梦丽;赵利利
5.CJ818客机机翼防冰范围的确定及防冰热载荷计算 [J], 屠敏;霍西恒;赵亮;常士楠
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某型飞机发动机短舱热气防冰系统性能数值模拟
某型飞机发动机短舱热气防冰系统性能数值模拟郁嘉;赵柏阳;卜雪琴;林贵平;李志茂【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2016(034)003【摘要】使用三维内外强固传热耦合方法计算校核发动机短舱热气防冰系统的性能,并分析发动机进气流量对蒙皮表面温度的影响.内、外部表面传热系数计算均采用纯三维的CFD方法,在内、外部网格数据交互时使用了距离加权反比插值法.通过计算获得发动机短舱的局部水收集系数、蒙皮表面温度的分布情况、各处溢流水量,并由此判定此防冰系统性能是否达到要求.分析表明此发动机短舱热气防冰系统符合防冰性能要求;当发动机进气流量增大时,蒙皮表面温度下降,且溢流水量增加.【总页数】6页(P302-307)【作者】郁嘉;赵柏阳;卜雪琴;林贵平;李志茂【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京 100191;航空科学技术国家实验室,北京 100191;中航工业第一飞机设计研究院,陕西西安 710089;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京 100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京 100191;上海飞机设计研究院环控氧气部,上海 201203【正文语种】中文【中图分类】V211.3;V244.1+5【相关文献】1.结构参数对热气防冰系统性能影响的数值模拟 [J], 姚会举;刘永寿;张峰;南华2.非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟 [J], 郁嘉;卜雪琴;林贵平;申晓斌;马文涛3.某型飞机机翼防冰系统性能验证研究 [J], 霍西恒;王大伟;李革萍;李志茂4.机翼热气防冰及冰脊形成数值模拟 [J], 顾洪宇; 桑为民; 庞润; 王寄同5.机翼热气防冰及冰脊形成数值模拟 [J], 顾洪宇; 桑为民; 庞润; 王寄同因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟
非结冰气象条件下机翼热气防冰系统数值模拟郁嘉;卜雪琴;林贵平;申晓斌;马文涛【摘要】为了在自然结冰飞行前预估飞机防冰系统的性能，减少飞行风险，开展了非结冰气象条件下飞机机翼热气防冰系统的数值模拟研究。
数值模拟采用了计算流体力学方法；外部对流传热系数的计算采用附面层积分方法。
机翼热气防冰系统表面温度的计算是将蒙皮外部散热热流、内部热气加热热流以及蒙皮导热三者进行热耦合，并进行了改进，改进的方法不要求防冰腔内、外两套网格在重合面网格处一致，是通过双向线性插值将一方面网格信息插值传递到另一方表面网格上，提高了计算效率。
%In order to evaluate the effectiveness of an ice protection system in natural atmospheric icing conditions and reduce the flight test risks in icing conditions.Numerical analysis and validation for a wing hot-air anti-icing system in dry air conditions are investigated. The computational fluid dynamics (CFD)method was used for the simulation of the wing anti-icing system.The thermal boundary layer integral method was applied to acquire the external convective heat transfer coefficient.Surface equilibrium temperatures were obtained by coupling the external convective heat loss,the internal heat gain and the thermal conductivity through the skin.An improved method was proposed to exchange the values of the surface temperature and heat loads between the internal grid interface and the external grid interface.The method reduced the total cell number of the external flow field and accelerated the calculation speed.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2016(034)005【总页数】6页(P562-567)【关键词】热气防冰系统;机翼;数值模拟;非结冰气象条件;表面温度【作者】郁嘉;卜雪琴;林贵平;申晓斌;马文涛【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191; 北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京 100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191; 北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京 100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191; 北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京 100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191; 北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】V244.1+5为了验证飞机防冰系统的性能以及各部件的有效性，防冰系统性能的理论分析和试验在飞机适航认证中缺一不可［1］。
不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟
不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟冷梦尧;常士楠;丁亮【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2016(067)007【摘要】A strategy is presented to simulate the impact and solidificationof the water droplet on different substrates. Simulations were performed using a coupled volume-of-fluid and level-set method to tracking the air-water interface and an enthalpy-porosity method to capture the phase transition. Three surface types were investigated: hydrophilic surface (contact angle 30°), hydrophobic surface (contact angle 114°) and superhydrophobic surfa ce (contact angle 163°). The results showed that decreasing the wettability would reduce the contact time and area with the cold surface, and delay the freezing of the droplet. When temperature of the surface is higher than −15℃, the superhydrophobic surfa ce can remain entirely ice-free under the simulated conditions. By comparing the maximum droplet spread, retraction response and time for solidification with the experimental results, the effectiveness and precision of the simulation strategy were demonstrated.%对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。
基于PHengLEI的非稳态电热除冰过程仿真
基于PHengLEI的非稳态电热除冰过程仿真
刘宗辉;卜雪琴;林贵平;李伟斌
【期刊名称】《空气动力学学报》
【年(卷),期】2023(41)2
【摘要】为了填补国产自主可控CFD软件风雷平台的防除冰功能开发的空白,本
文建立了电热除冰计算模型、计算方法和非稳态导热模型,并在国家数值风洞风雷
平台(PHengLEI)基础上,集成了非稳态电热除冰计算和非稳态导热计算功能。
通过
与主流商业CFD软件仿真结果和实验数据的对比,验证了导热和非稳态电热除冰程序的准确性。
针对某飞行工况进行了电热除冰计算,通过对表面溢流水、表面温度、结冰量的计算结果分析,发现合理布局加热片、设计加热热流密度和电热除冰控制率,可实现电热除冰系统的安全运行和能源的高效利用。
【总页数】12页(P53-63)
【作者】刘宗辉;卜雪琴;林贵平;李伟斌
【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院;中国空气动力研究与发展中
心
【正文语种】中文
【中图分类】V321.229;V211.3
【相关文献】
1.真空热试验中红外笼对伞状天线非稳态r加热过程数值仿真
2.高温空气燃烧器换向过程非稳态流场和温度场的仿真分析
3.ESP电场粉尘非稳态收集过程数值仿真
4.
基于材料非稳态疲劳损伤过程的可靠性分析智能化仿真方法5.基于定性仿真和推断的化工过程非稳态操作自动HAZOP分析方法（英文）
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人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响
第30卷 第10期2015年10月地球科学进展ADVANCES IN EARTH SCIENCEVol.30 No.10Oct.,2015汤秋鸿,黄忠伟,刘星才,等.人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响[J].地球科学进展,2015,30(10):1091⁃1099,doi:10.11867/j.issn.1001⁃8166.2015.10.1091.[Tang Qiuhong,Huang Zhongwei,Liu Xingcai,et al.Impacts of human water use on the large⁃scale terrestrial water cycle [J].Advances in Earth Science,2015,30(10):1091⁃1099,doi:10.11867/j.issn.1001⁃8166.2015.10.1091.]人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响*汤秋鸿1,黄忠伟1,2,刘星才1,韩松俊3,4,冷国勇1,张学君1,2,穆梦斐1,5(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101;2.中国科学院大学,北京 100049;3.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;4.国家节水灌溉北京工程技术研究中心,北京 100048;5.清华大学水利水电工程系,北京 100084)摘 要:随着人口增长和经济社会快速发展,人类活动已成为陆地水循环变化的重要驱动因子,人类用水活动对陆地水循环的影响越来越受到人们的关注㊂回顾近年来人类用水活动对大尺度陆地水循环影响方面的研究进展;阐述灌溉㊁生活和工业用水㊁水库调节以及地下水利用等典型人类用水活动影响大尺度陆地水循环的过程与机制,并在此基础上探讨了陆面水文模型中人类用水活动参数化方案及其存在的问题㊂目前,陆面水文模型对人类用水活动的考虑依然不足,使得应用模型模拟陆地水循环和评估变化环境下水资源安全面临挑战㊂展望未来,深入认识人类用水活动与水系统的影响与反馈,开发考虑人 水系统协同演化的水系统综合评估模型,预估水安全形势的演变趋势,将成为陆地水循环和水资源研究的长期重要任务㊂关 键 词:人类用水活动;陆面水文模型;参数化方案;陆地水循环中图分类号:P933 文献标志码:A 文章编号:1001⁃8166(2015)10⁃1091⁃091 引 言水,不仅是人类生产与生活的基础,更是陆地生态系统正常运行的必要条件㊂然而,由于水资源时空分布不均以及经济社会对水资源需求不断上升,水资源问题在全球许多国家或地区已成为制约社会和经济发展的一个重要因素,因而引起了人们的严重关注㊂人类通过取用水活动和改变环境(如气候变化和土地利用/覆盖变化)直接或间接地影响着陆地水循环㊂人类活动对陆地水循环的影响主要体现在如下几个方面:①直接取水,如引水灌溉㊁跨流域调水㊁地下水抽取等直接取用水方式导致水循环过程的改变[1];②利用水库㊁闸门等水利工程设施人为控制水循环过程;③改变下垫面从而影响流域产汇流条件,如土地利用/覆被变化㊁城市化㊁水土保持工程和河道整治等影响蒸发㊁下渗㊁产流㊁汇流等流域水文过程[2];④通过蒸散发管理和人工干预天气等影响大气系统从而改变区域水循环过程;⑤随着人类社会工农业的发展,CO 2等温室气体的排放显著增加,全球气候和生态系统随之变化[3],温度㊁降水㊁风速㊁辐射㊁植被等因子的变化可能会对陆地水循环产生重大的影响[4~8]㊂人类用水活动不但直接改变了微观尺度的水循环过程,其累积效应也体现在大尺度陆地水循环中,给区域水资源形成㊁调配和利用都带来了深刻影响㊂因此,本文重点关注人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响㊂* 收稿日期:2015⁃06⁃11;修回日期:2015⁃10⁃20.*基金项目:国家杰出青年科学基金项目 陆地水循环变化与全球变化的关系”(编号:41425002);全球变化研究国家重大科学研究计划项目 中国及全球环境风险的区域规律研究”(编号:2012CB955403)资助. 作者简介:汤秋鸿(1981⁃),男,湖南岳阳人,研究员,主要从事水文学研究.E鄄mail :tangqh@2 研究进展人类活动的水文效应一直是国内外研究者关注的焦点之一㊂国内早在20世纪70年代末就开始系统地研究人类活动对水文水资源的影响㊂近年来,国家重点基础研究发展计划( 973”计划)陆续开展了人类活动对陆地水循环影响的研究,例如, 华北平原地下水演变与调控[9]”㊁ 干旱区绿洲化㊁荒漠化过程及其对人类活动㊁气候变化的响应与调控[10]”㊁ 海河流域水循环演变机理与水资源高效利用[11]”等项目;国家自然科学基金也在 十一五”规划中优先发展了 陆地表层系统变化与人地相互作用机理”㊁ 水循环与水资源”等[12]领域,重点资助人类活动对区域水循环的影响及生态效应等方面研究;在 十二五”规划中,国家自然科学基金进一步加大了对人类活动对水循环影响研究的资助,例如,拟重点资助 全球系统变化的自然和人类因素”㊁ 人类活动对环境影响机理”等[13]方面的研究㊂国外的早期研究主要围绕国际水文发展十年计划(International Hydrologic Decade,IHD)和国际水文计划(International Hydrological Programme,IHP)研究主题展开,研究内容主要包括水利工程和农业措施对陆地水循环的影响㊁城市化进程对水资源和水环境的影响㊁城市水危机等[14]㊂随着IHP后期阶段和国际地圈生物圈计划(International Geosphere⁃Biosphere Programme,IGBP)的相继实施,国内外对变化环境下人类活动对水文水资源系统的影响研究也逐渐深入和综合[15]㊂在变化环境下,越来越多的学者倾向于将陆地表层中的水看作一个整体,称之为水系统(Water System)㊂2001年实施的全球水系统计划(Global Water System Project,GWSP)将全球变化㊁大规模水利工程建设和跨流域调水对区域水循环与水安全影响作为重要的研究课题,Vörömarty 等[16]认为各种人为因素以直接或间接方式对区域[17]和全球[18,19]水循环产生重要影响,并且提出了大量证据表明人类在更广泛的领域干扰陆地水循环过程,指出由此导致的水安全和生态安全问题日益突出㊂最新的国际水文十年科学计划(2013 2022) 万物皆流”(Panta Rhei)提出了 处于变化中的水文科学与社会系统”(Change in hydrology and socie⁃ty)的研究主题[20]㊂Sivapalan等[21]和Montonari 等[22]提出发展社会水文学(Socio⁃hydrology),呼吁重点关注人 水系统的协同演化,为水资源综合管理提供基础理论㊂在这些重大科研项目和国际科学计划的支持和引导下,已开展了许多人类用水活动影响的分析工作,对人类用水活动影响过程与机理的认识不断深入,相关模型研究也取得了丰硕的研究成果[23~25]㊂人类用水活动对陆地水循环的影响非常复杂,它随着人类用水活动的方式(如引水灌溉㊁水库调节等)㊁时间尺度(年尺度㊁月尺度等)以及空间尺度(全球尺度㊁流域尺度等)而变化㊂现阶段随着水文模型的迅猛发展,越来越多的研究将反映人类用水活动的参数化方案与水文模型相耦合,定量评估人类活动对水循环的影响㊂比如,秦大庸等[26]提出了 自然 社会”二元水循环理论框架,为变化环境下水循环的基本认知模式㊁现代环境下水资源衰减规律等提供研究参考;王浩等[27]建立了海河流域二元水循环模拟平台,这些研究极大地促进了人类用水活动对陆地水循环的影响分析与模拟研究㊂但是,陆地水循环及其相关地表过程的耦合机制十分复杂,不同的参数化方案在模型中的应用效果也不同[28],如何改进人类用水过程在大尺度模型中的参数化表达受到广泛关注㊂下面本文将回顾灌溉㊁生活和工业用水㊁水库调节㊁地下水利用等人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响研究,重点关注典型人类用水活动对陆地水循环的影响机理,及其在大尺度陆面水文模型中的参数化方案,并探讨当前研究中存在的问题㊂2.1 灌溉随着经济社会发展和人口急剧增加,为满足对粮食的需求,近几十年来耕地面积显著增加,相应灌溉用水需求不断加大[29,30]㊂灌溉的目的是满足灌溉农田作物的水分需求㊂大规模灌溉一方面将使灌区蒸发增加[31]㊁地下水位显著变化[17,32],灌溉水源的河道径流减少[33]㊁湖泊水库水位下降[34]㊂另一方面灌溉将显著改变地表反照率和粗糙程度等陆面特征,以及陆面和大气之间的水热通量,引起区域气候系统的改变[35];降水㊁辐射㊁气温㊁相对湿度和风速等多种气象要素都有可能受到灌溉的影响[36~39],进而影响区域蒸散发能力并对灌溉需水产生反馈作用[40~42]㊂目前关于灌溉对大尺度陆地水循环影响的研究较多关注于对区域水量平衡的影响㊂模型模拟是分析灌溉影响的重要研究手段,而模型可以分为概念性模型和机理性模型㊂概念性模型主要应用于分析年或多年尺度灌溉对流域或区域水量平衡的影响㊂2901 地球科学进展 第30卷Biggs 等[36]基于流域水量平衡方程和能量平衡方程模拟了灌溉对印度Krishna 流域水热平衡的影响㊂基于Budyko 假设的水热耦合平衡原理是研究流域(区域)蒸散发的重要方法,但无法应用于灌区㊂Han 等[43]通过考虑灌溉引水将Budyko 假设扩展到干旱区绿洲灌区,分析了灌溉对绿洲水量平衡的影响㊂一些机理性模型被用来估算灌溉需水量,评估灌溉用水对全球或区域陆地水循环的影响㊂其中,在灌溉量的模拟上基本可以分为以下几类:①在特定时段将土壤水固定在某个状态(如饱和状态,田间持水量)来模拟灌溉过程㊂例如,Lobell 等[44]设置作物生长季时的土壤水分维持在饱和含水量来模拟灌溉过程㊂②根据当前土壤含水率低于某个设定阈值时决定是否开始灌溉,并当土壤水达到田间持水量或饱和状态时停止灌溉㊂例如,Tang 等[45]设定根层土壤水下降到凋萎含水量后开始灌溉,当土壤水达到田间最大持水量时即停止灌溉,来研究灌溉对黄河流域水循环的影响㊂Hanasaki 等[46]设定当土壤含水量低于75%的田间含水量时需要灌溉,当土壤含水量高于75%的田间持水量时则无需灌溉㊂③通过赋予实际的蒸散发量或者灌溉量来模拟灌溉过程㊂例如,Boucher 等[35]基于LMDZ 模型赋予固定的蒸散发通量来模拟灌溉效应㊂在灌溉水源的表达方面,Tang 等[47]设置DBH 模型(图1)从本地径流取水,当本地径流不足时,则从设定的河道径流取水㊂Hanasaki 等[46]和Pokhrel 等[48]通过集成作物需水㊁人类用水㊁河道汇流及水库调度模块来估算灌溉需水量和水库对河道径流的影响,从而细化了用水来源的表达㊂在之前的研究中,数值模拟研究关于灌溉对陆地水循环影响在某些方面取得了一些一致的结论,如引水灌溉导致灌区蒸散发增加㊁河道径流下降[49,50]等㊂例如,Tang 等[45]利用DBH 模型评估指出黄河干流的径流因为农业引水灌溉下降了约40%;Hanasaki 等[46]基于H08模型的评估表明全球图1 考虑灌溉的分布式生物圈水文模型(修改参考文献[47])Fig.1 The Distributed Biosphere⁃Hydrological (DBH )model with an irrigation scheme (modified after reference [47])3901第10期 汤秋鸿等:人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响 农业灌溉用水大约占总消耗性用水的85%;Rost 等[51]基于LPJmL模型评估显示全球尺度上灌溉活动导致陆面蒸发增加了1.9%,径流减少了至少0.5%㊂由于数值模拟研究本身的不确定性,在模拟灌溉对陆地水循环影响的程度上各研究存在较大的差异,并在不同区域较为明显㊂现有数值模拟研究关于灌溉对水循环的影响的不确定性主要体现在以下3个方面:①灌溉面积资料的不确定性㊂现有的数值模拟研究大多基于联合国粮农组织(FAO)提供的2000年灌溉面积图[52],缺少对灌溉面积的动态变化的描述,缺乏不同灌溉数据来源的比对验证,因而给模拟结果带来较大不确定性㊂②作物需水估算的不确定性㊂不同间作物耗水差异很大,目前作物分布动态变化的资料尚比较缺乏㊂③灌溉活动高度的自发性使得通用的模型参数化方案难以反映现实㊂灌溉时间㊁灌溉量㊁灌溉水源㊁灌溉方式等方面都和灌溉用水直接相关,但是往往因时因地而异,有着不同的物理机制㊂2.2 生活和工业用水随着经济社会快速发展,生活和工业用水急剧增加㊂由于生活和工业用水能产生较高的经济价值,其供水往往得到优先保障㊂当超出了水资源承载能力时,生活和工业用水增长经常会挤占生态用水,进而影响生态系统的平衡,对陆地水循环造成影响㊂因此,评估生活和工业用水以及其对陆地水循环的影响是研究人类用水活动对水循环影响的重要组成部分㊂当前生活和工业用水对水循环影响的研究主要采用统计资料估算生活和工业用水量,将生活和工业用水与陆面水文模型耦合来评估生活和工业用水对水循环的影响㊂比如,Hanasaki等[46]根据世界粮农组织(FAO)于2007年发布的农业与水信息系统(AQUASTAT)统计数据中提供的世界各国生活和工业的用水配额等信息来估算生活用水和工业用水的时空格局㊂通过人口密度㊁国内生产总值(GDP)等统计数据以及国界线分布离散得到每一个网格的生活和工业用水量㊂Rost等[51]在LPJmL模型中考虑了生活和工业用水,其中设定居民用水㊁牲畜用水㊁工业用水的消耗量分别与人口㊁牲畜数量以及发电量成正比㊂研究显示,1971 2000年全球生活和工业用水年平均消耗达到94km3[51],其中,1995年生活与工业用水达到132.4km3[53]㊂虽然全球生活与工业用水量远小于全球径流与蒸发的总量,但是由于区域之间生活与工业用水的差异,部分地区生活与工业用水开采可能会超出水资源承载力,进而会对陆地水循环造成影响㊂目前预估未来生活和工业用水主要是通过历史统计资料建立生活和工业用水与人口㊁GDP等社会经济指标之间的关系,进而根据预估的人口和GDP 等经济社会指标来推算未来的用水量㊂但是,如何考虑节水型社会建设等举措对生活和工业需水的影响并加以定量评估是今后研究的难点㊂2.3 水库调节水库具有防洪㊁发电㊁灌溉等多重作用㊂通过蓄水和调节河道径流,水库不仅可以使水资源在时间上的变化更适应于人类的用水要求(如农业灌溉㊁生活用水等),而且可以削减洪峰流量,起到防洪作用㊂由于水库对河道径流的显著调节作用,水库成为陆地水循环和水资源研究中不可忽略的影响因素㊂模拟水库调节对水循环的影响的重点是将水库调节过程在模型中参数化表达,主要考虑因素包括以下几个方面:①水库位置和数量;②水库的库容;③水库调度方案(何时蓄水及蓄水量,何时放水及放水量)㊂由于大尺度研究往往很难获取众多水库的详细信息,故大尺度水文模型中的水库调度一般采取通用调度方案㊂1999年,Meigh等[54]为研究非洲东部和南部地区的水资源短缺问题,将水库调节方案耦合到水文模型中㊂水库调节方案中放水阶段的出流量与采用经验关系描述:Q out=S1.5j,其中Q out为水库的月出流量,S j为当月初始库容;在水库的蓄水阶段,出流量仅需满足下游需水要求,若水库蓄满,则将多余水量泄出㊂2003年,Döll等[55]在WaterGAP 模型考虑了水库和湖泊的蓄水调节作用,并用其模拟全球径流变化㊂WaterGAP模型中水库调节参数化方案是在Meigh等[54]的基础上改进得到如下公式:Q out=k r×S r(S r S r max)1.5 式中:Q out(m3/d)为水库的出流量,k r(0.01 d-1)为出流系数,S r(m3)为水库当前库容,S r max(m3)为水库最大库容㊂对于最大库容S r max,假设S r max= A lake H,其中A lake为水库的面积(单位:m2),H为水库的最大深度(单位:m,固定为5m)㊂由于缺乏水库的运行管理方案,该研究中水库被当作自然湖泊处理㊂之后,Rost等[51]曾将这一水库调节方案应用到LPJmL模型中,用于评估全球农业蓝水与绿水的消4901 地球科学进展 第30卷耗量㊂Hanasaki等[56]提出了一个水库调节参数化方案用于全球水循环模拟研究;该方案基于水库调度年,根据每一个水库的特征㊁水文条件以及下游的需水量确定水库调节参数,每年水库出流系数由初始蓄水量和最大库容确定,水库月出流量由多年平均总入库水量㊁最大库容㊁年均入库流量和当月入库流量确定㊂水库月出流量跟水库主要功能有关,非灌溉水库只考虑汛期防洪作用,灌溉水库还需考虑下游需水量再确定出库流量㊂Hanasaki等[46]将这一水库调节方案耦合到H08模型中,用于评估水库调节对全球径流的影响㊂水库对径流的调节作用会显著改变流域水循环,这种影响通常与水库调度目标密切相关㊂一般来说由于削减洪峰的作用,大型水库调节后会减少径流过程的波动[57]㊂此外,水库蓄水后会导致蒸发增加,尤其在干旱地区,水库蒸发可占入库流量的10%~20%以上[58]㊂由于实际水库调度过程非常复杂,当前水文模型要准确重现水库调度过程还需进一步研究㊂对于小尺度或单个水库研究,通过收集足够的历史水库调度和径流资料便可能在水文模型中构建较为理想的调度参数化方案㊂相对而言,大尺度甚至全球尺度的水库调度模拟则面临着诸多问题,主要体现在以下方面:①缺乏高精度的全球水库和河网信息,如水库位置㊁大坝高度㊁水库面积和深度㊁水库供水范围等;②水库和水库群的实际调度规则十分复杂,而水库历史调度资料极度匮乏,根据水库主要功能简单分类的参数化方案不足以反映水库的真实调度方式㊂2.4 地下水利用随着社会经济的发展,人类大量抽取地下水,导致部分区域地下水位的大幅度下降,形成地下水降落漏斗,带来地面沉降㊁海水入侵等环境问题㊂调查显示,目前我国地下水开采总量已占总供水量的18%,北方地区65%的生活用水㊁50%的工业用水和33%的农业灌溉用水来自地下水[59]㊂当前,地面观测㊁遥感和模型模拟等方法被用来定量评估大尺度地下水利用状况㊂地下水观测井是监测地下水变化的主要手段,被广泛用于美国High Plains[60]㊁中国华北平原[61]等淡水含水层系统的地下水利用状况评估;地下水模型是模拟地下水变化的重要工具,在地下水研究中也有较为广泛地应用[62];GRACE重力卫星成为了估算陆地储水量和地下水变化的新手段,Famiglietti等[63]利用GRACE 卫星遥感的重力场数据评估了美国加州中央河谷的地下水超采情况;Rodell等[64]将卫星遥感重力场数据与陆面模型相结合,估算了印度北部地区地下水存储量下降速率,结果表明2002年8月至2008年10月该地区地下水以每年(4±1)cm等水深的速率下降,超采的水量约为印度最大的地面水库库容的两倍㊂虽然卫星重力场数据提供了估算大尺度地下水变化的途径,但由于重力场受到商品运输㊁水库蓄水㊁跨流域调水等人为地表质量变化影响,检测重力场变化中的地下水信号存在较大不确定性[65](图2)㊂由于缺少大尺度地下水观测,评估资料缺乏地区的地下水利用状况,预估未来地下水开采量比较困难,现阶段有一些模型尝试估算全球地下水利用量,但是不同模型的估算结果存在较大的差异㊂Konikow[66]主要利用美国的模拟或观测数据以及少量美国以外地区的地下水数据来估算全球地下水的抽取量,结果显示在1993 2008年全球的地下水储量下降的速率为127km3/a㊂Wada等[67]研究假定灌溉回流量将补充到地下水,结果显示1993 2008年全球的地下水储量下降的速率为195km3/a㊂最近,Döll等[68]将WaterGAP模型与GRACE卫星遥感数据相结合评估了全球地下水量储量变化,结果显示2000 2009年全球地下水储量下降的速率为113km3/a㊂现阶段对地下水利用的影响评估依然比较粗略,未来需要进一步研究地表水与地下水之间的相互作用机理,阐明农业灌溉㊁城镇化㊁海绵城市建设等人类活动对地下水补给的影响机制,以及地下水开采和回灌的效应㊂3 未来研究方向和重要的科学问题随着我国经济社会的迅速发展,过去几十年我国的用水需求逐步增长,人类用水活动日益强烈,为开展人类用水活动对大尺度水循环和水资源的影响研究提供了天然的实验场㊂未来研究应结合国际前沿与我国的区域优势,重点关注一些重要的科学和技术问题,包括评估人类用水活动影响的监测技术㊁人类用水活动与陆地水循环的相互作用机制㊁人类用水需求预估㊁综合评估模型等㊂我国的相关研究将面向国家重大需求,树立生态文明理念,为保障区域水安全㊁实现人 水和谐提供科技支撑,重点发展人类用水活动及其影响的定量观测与评估方法,加强遥感监测和科学大数据分析等新技术的应用;深化人类用水活动演变的基础5901第10期 汤秋鸿等:人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响 图2 华北平原2003 2011年煤炭运输㊁水库蓄水㊁跨流域调水等人为地表质量变化对GRACE信号的贡献(修改自参考文献[61])Fig.2 The mass changes of natural surface water, reservoir,coal transport and inter⁃basin water diversion contributed to the GRACE terrestrial water storageestimates in the North China Plain during2003⁃2011(modified after reference[61])理论,加强经济社会发展与水资源需求之间的关系研究,加强人 水系统的协同演化规律研究;提出区域水安全保障的解决方案,发展水系统综合评估模型,加强水资源需求趋势和水短缺风险预估,加强水 能源 粮食的关系和统筹管理研究㊂4 结语与展望陆地水循环是陆 系统的重要组成部分㊂它一方面受到气候变化的影响,另一方面也受到人类用水活动的影响㊂当前剧烈的人类用水活动已经显著地改变了大尺度水循环,定量评估人类用水活动的影响对认识区域水循环和水资源演变具有重要的科学意义和实践价值㊂模型是研究陆地水循环变化的重要工具之一㊂然而,当前大尺度陆面水文模型对人类用水活动的考虑依然不足,使得应用模型模拟变化环境下陆地水循环面临挑战㊂因此,需要深入认识灌溉㊁生活和工业用水㊁水库调节㊁地下水利用等人类用水活动的发展规律及其影响水循环的机理,发展大尺度人类用水活动参数化方案,模拟和预估陆地水循环和水资源演变㊂未来人类活动的不断加强,预计将对陆地水循环产生更大的影响㊂陆地水循环变化不仅和气候系统变化有关,还和社会经济发展路径紧密相连㊂事实上,水系统是复杂地球系统中的一部分,水循环和其他地表过程间有着复杂的相互作用㊂陆地水循环演变是大气㊁生态㊁地貌㊁人文等多种地表过程变化共同影响下的结果㊂人类用水活动既改变了水循环,又受到水循环的制约,是水系统中独特而重要的过程㊂由于人 水系统的复杂性[69],定量模拟和预估尚存在不少困难㊂认识水资源和经济社会发展的相互影响,开发考虑人 水系统协同演化的水系统综合评估模型,预估区域水安全形势的演变趋势,将成为陆地水循环和水资源研究的长期重要任务㊂参考文献(References):[1] Song Xiaomeng,Zhang Jianyun,Zhan Chesheng,et al.Reviewfor impacts of climate change and human activities on water cycle [J].Journal of Hydraulic Engineering,2013,44(7):779⁃790.[宋晓猛,张建云,占车生,等.气候变化和人类活动对水文循环影响研究进展[J].水利学报,2013,44(7):779⁃790.] [2] Cuo L,Lettenmaier D P,Alberti M,et al.Effects of a century ofland cover and climate change on the hydrology of the puget sound basin[J].Hydrological 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图 1 β与防冰热载荷 计算流程图
β是指微元表面上的实际水收集率 Wβ与该 微元表面上的最大可能的水收 集率 Wβ, max之 比 , 根据此定义得到公式 [ 1] :
β
= Wβ W β, max
=(V V0
n
) α0
αx ρw
ρw
=(V V0)
式中 , ρw为水的密度 ;V0为远场来流速度 ;V 为当 地速度矢量 ;n 为表面的法线方向矢量 ;αx和 α0分 别为水滴撞击壁面处当地及远场处的水滴容积分
流 , 两者耦合计算得到新的表面温度并作为下一
步迭代计算的已知条件. 迭代计算直到相邻两次
计算的表面温差 ΔT 不超过 0. 1 K. 此时的表面温 度即为相应结冰气象条件下 , 防冰系统工作稳定
后的表面温度 , 且不应低于 0℃, 不应高于蒙皮材
料允许的最高温度.
图 2 表面温度计算方法
3 计算翼型剖面选取及气象条件
基于 CFD的水收集系数及防冰表面温度预测
卜雪琴 林贵平
(北京航空航天大学 航空科学与工程学院 , 北京 100083)
摘 要 :利用计算流体力学 (CFD, Com puta tiona l F lu id Dynam ics)软件 FLUENT, 对二 维机翼在结冰气象条件下飞行时的水收集系数 , 以及防冰系统工作并达到稳定后的防冰表面 温度进行了计算. 水收集系数计算采用 FLUENT 中的欧拉两相流模型以及用户自定义函数. 特 定飞行条件及热气防冰系统结构下的防冰表面平衡温度分布预测采用防冰腔内外热流耦合的 方法. 所得结果和理论分析一致 , 表明了利用 FLUENT 可以有效的进行防冰研究 , 包括水收集 系数及防冰表面温度的预测 , 为今后进一步研究设计热气或电热防冰系统打下基础.
关 键 词 :飞机防冰 ;水收集系数 ;表面温度 中图分类号 :V 244. 1 +5 文献标识码 :A 文 章 编 号 :1001-5965(2007)10-1182-04
P red ictions of co llection e ffic iency and anti-ic ing surface temperature
对于热气防冰系统 , 机翼处装有集气管 , 热气 由管壁上的孔喷入前缘防冰腔 , 并沿腔内通道流 动 , 把热量传给蒙皮 , 使防冰表面温度能保证表面 不结冰. 为预测防冰热载荷 、防冰系统热气流量及 蒙皮表面温度 , 首先需计算水滴撞击特性参数. 本 文利用欧拉法得到局部水收集系数 , 进而计算防 冰腔内 、外部流动及热载荷 , 得到内外平衡后的表 面温度. 算例选取了多个翼型剖面及多个飞行气 象状态进行计算 , 得到了一些有参考价值的分析 结果.
本文对 1, 3, 6, 9m 翼型的 β进行计算和结果 分析. 对 9m 翼型处巡航状态下的防冰表面温度 进行了预测.
表 2 飞机飞行及气象条件
图 3 各翼型剖面
参数
飞行高度 /m 压力 /Pa
空气密度 /( kg m - 3) V0 /(m s -1 ) Ma 攻角 /(°) 环境温度 /℃ 水滴直径 /μm
本文对某机翼截取了多个翼型剖面进行 β及 热载荷计算 , 得到了从机翼翼根到翼尖 β变化情 况. 计算并分析了某翼型剖面在巡航状态 、特定防 冰供气流量和温度下的表面温度. 热气防冰系统 中单孔射流结构的防冰腔具有一定的三维特性 , 由于三维情况的防冰腔 内高质量网格划 分较困 难 , 且三维的内外热流耦合计算有待继续研究 , 因 此本文只进行二维计算.
拉格朗日法采用单相流计算空气流场 , 建立 水滴轨迹运动方程 , 跟踪水滴轨迹 , 得到水滴撞击 点后计算水滴撞击极限及 β. 目前大部分的结 /防 冰计算软件采用拉格朗日法 , 如美国 LEW ICE, 意 大利 C IRAM IL等. 此方法面临的挑战是 , 在计算 复杂物体的 β时需跟踪大量的水滴及确定水滴发 射源的位置.
收稿日期 :2006-11-17 作者简介 :卜雪琴 (1982 - ), 女, 江西萍乡人 , 博士生 , buxueq in@ase. buaa. edu. cn.
第 10期 卜雪琴等 :基于 CFD 的水收集系数及防冰表面温度预测
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1 局部水收集系数计算
局部水收集系数 β 的计算 是防冰计算 的基 础 , 有两种方法 :拉格朗日法和欧拉法.
热模拟采用 CFD 方法. 对于给定防冰腔 , 已知集
气管喷口热气流量 、进气温度 、飞机飞行状态以及
气象条件 , 可得到防冰表面温度 , 并检验此温度是
否满足防冰要求.
表面温度的计算方法 如图 2. 根据飞行气象
条件 , 首先设定初始表面温度计算防冰热载荷 , 根
据热气防冰腔的进气流量以及温度 , 得到内部热
液态水含量 /( g m - 3)
注 :机翼安装角为 3°.
状态 1(起飞 )
0 101 325 1. 225
78. 3 0. 23
0 - 2. 2
20 0. 59
状态 2(爬升 )
2 400 75 749 0. 966 6 125. 8 0. 38
5. 7 - 9. 2
20 0. 44
状态 3(巡航 )
8 - 10 20 0. 42
状态 6(进场 )
1 500 84 689 1. 058 73. 0 0. 22
5. 6 -16. 1
20 0. 29
4 数值计算及结果分析
4. 1 网格划分及边界条件设置 图 4和图 5分别是防冰腔外部流场和内部流
Abstract:Com puta tiona l flu id dynam ics (CFD) so ftw are too lk it FLUENT w as used to predict the drop le t co llec tion efficiency and an ti-icing surface equilibrium temperature on two-dim ensiona l a irfoils w hen the ice pro tection system w as in operation. C ollection efficiencies we re ob tained using the Eu le rian mu ltiphase m ode l, im plem en ted th rough use r-de fined functions in FLUETN. The su rface equ ilibrium tem pe ra ture distribution in respond ing to certain fligh t condition and the hot-air inlet configu ra tion w as predicted by an integ rated airfo il leading-edge in terio r-exterior therm odynam ic ana lysis. Som e examp le s and validation stud ies w ere presented. The num e rical results a re acceptab le and consistence w ith the theo ry analysis. The presented research w ork indica tes a validity of using FLUENT in study ing aircraft anti-icing, inc lud ing prediction o f w ater collection efficiency and tem perature distribu tion on anti-icing surface, w hich are usefu l fo r fu tu re study in design of aircraft hot-a ir anti-icing system.
数 , α0可由给定的远场液态水含量计算得到.
2 防冰热载荷及表面温度计算
2. 1 防冰热载荷计算 防冰热载荷的计算是利用两相流计算结果 ,
通过 FLUENT 的 U se r-de fined function (UDF, 用 户自定义 函数 )进 行二 次开 发 , 将 UDF 挂靠 到 FLUENT 软件中进行后处理计算.
热气防冰系统工作时 , 防冰表面的损失热流 密度有 :对流换热热流密度 qa , 表面上水 蒸发散 走的热流 密度 qe , 加热 收集 水所 需的 热流密 度 qw ;加热热流密度有 :气流对表面的气动加热热流
密度 qv , 水滴动能转变成的热流密度 qw v , 腔内热
气加热热流密度 qn. 因此可得到部件表面的热平
衡方程式 :qgain =qloss, 即
qv +qw v +qn =qa +qe +qw
(2)
而防冰所需的 qn则为
qn =qa +qe +qw - qv - qw v
(3)
各热流计算模型请见参考文献 [ 2].
2. 2 防冰表面温度计算
防冰表面温度在内外部热流作用下最终达到 平衡[ 3] . 内部热 流根据加热形 式不同而不同. 外 部热流即防冰热载荷计算见前述 ;内部流动和换
Key wo rds:aircraft an ti-icing;collection efficiency;surface tem perature