电脉冲除冰系统的建模与计算分析
飞机防冰排雨系统的分析与研究
飞机防冰排雨系统的分析与研究发布时间：2022-08-21T01:25:44.912Z 来源：《科技新时代》2022年1月第1期作者：胡文祺[导读] 如今飞机已经是人们出行的重要交通工具胡文祺空军工程大学陕西省西安市摘要：如今飞机已经是人们出行的重要交通工具，飞行因为阻力小、省油等原因飞机的巡航高度在八千到一万两千米之间，而每上升一千米的高度空气温度下降6摄氏度，所以飞机航行所在高空温度极易产生结冰现象。
在没有防护措施的情况，飞行在结冰的气象条件下，飞机迎风的一面会出现一定的结冰现象。
在飞机飞行结冰的情况下这样不仅仅会破坏飞机整体的气动布局，而且还会增加飞机的整体重量和增加很多的阻力，飞机的操纵性能会降低，飞机也会因为传感器的结冰而指示失常和失真。
所以说飞机的排雨防冰系统是飞机上必不能缺少的系统。
关键词：防冰排雨系统，工作原理，组成与应用 1.飞机结冰的影响 1.1机翼结冰飞机外表面结冰，尤其是机翼的外表面结冰，严重影响了飞机飞行的安全性。
即使是来自冰、雪或霜冻的轻微污染也会损坏机翼表面，另一方面，冰的粗糙度相当于中等程度的砂纸，可以将控制质量降低到危险水平和失速范围。
机翼表面粗糙，在地面效应和自由空气两种条件下损失最大升力系数。
由此产生的升力损失很大，以至于拥有高性能超临界翼型机翼的飞机无法起飞。
实验表明，由于纸张导致机翼表面粗糙，在摇杆振动仪发出失速警报之前，平板机翼的最大升力被降低了。
飞机的大部分升力是由机翼和尾翼产生的。
机翼和尾翼结冰后，主要在机翼前缘积冰，机翼阻力升高，升力下降，恶化飞机操纵性能，降低飞机稳定性。
1.2发动机进气部件结冰飞机在结冰天气下飞行时，飞机发动机的压缩机的前缘卡环、涡轮风扇发动机的进气道的前缘、第一压缩机的前导流翼都会发生结冰现象。
飞机发动机压缩机前缘整流：气动形状破坏，吸气速度分布不均，空气局部分离，造成发动机叶片振动。
若冰层随着气流进入到了发动机压气机的内部，就会使压气机受到机械损伤。
飞机压电除冰技术的数值模拟与实验
的 几 十倍 ， 根据这 一特性 ， 利 用 压 电 材 料 的 逆 压 电 效 应 制 作
压电驱动器来破 坏 机翼 蒙皮 和冰 层 的弱剪应 力 ， 除 冰效 果将 更佳。
图 １ 第 六 阶振 型
２ 压 电除 冰 的 有 限元 分 析
为 了验 证 理 论 研 究 的可 行 性 并 指 导 后 续 实 验 ， 采 用 有 限元
２ ＿ ２ 带 压 电 片 时 的试 验 蒙 皮数 值 模 拟 根据 ２ ． １ 所述 ， 选择大小为 ｏ ． ０ ５ ｍＸ０ ． ０ ５ ｍＸ０ ． ０ ０ ３ ｍ、 材 料为 Ｐ Ｚ ８的 压 电 片 两块 粘 在 试 验 蒙 皮 形 变 最 大 处 ， 并 建 立 相 应 的压 电驱 动 分 析 模 型 。蒙 皮采 用 ￣ １ ｉ ｄ ４ ５ ， 压 电 片采 用 耦 合 单 元 ￣ｌ ｉ ｄ ５ ， 同样 约 束 蒙 皮 断 面后 断点 节 点 所 有 自由度 。 模 型 建 完 后 再 次 进 行 模 态 分 析 验 证 粘 贴 好 压 电 片 后 其 振 型变 化 的差 异 ， 从求解结果来看 ， 尽管频率有 所变化 ， 但 形 变 位
１ 压 电除 冰 原 理
飞 机机 械 除 冰方 法 是 通 过 机 械 力 破 坏 冰 和 黏 附 层 之 间 的
黏 结 正 应力 或者 剪 应 力 ， 使 冰破 裂 以 致 从 黏 附层 脱 落 。通 过 人
电脉冲除冰系统的建模与计算分析
ｒ ｎ ； ｎｏ ｍａ ｒ ｅ ｅｔ ｒ ｌｆ ｃ ｏ
美 国一 项统计 指 出在 １８ ２０ ９ ３— ０ ３年 间 ， 由结
４ ０人全 部遇 难 。
冰造成 的事 故 约 占飞行 总事故 的 １％ 。去年 ４ ３ 月 ，美 国联 邦航 空管理 局 （ Ａ 的记 录表 明在 Ｆ Ａ）
关键词 ：电脉冲除冰 ；电动力学 模型；线 圈电流 ；涡流 ； 向力 法
中图分类号 ：Ｖ ４ ． ５ ２４ １ 文献标识码 ：Ａ
Ｍ ｏ ｅｉｇ ａ ｄ Ａｎ ｌｓｓｏ ｅ ｔｏ Ｉ ｕｓ － ｃｎ ｙ ｔｍ ｄ ｌ ｎ ａｙ ｉ ｆＥｌｃｒ － ｍｐ ｌｅＤｅ ｉｉ ｇＳ ｓｅ ｎ
ｎ ｅｓ ｔ ｌｙａ ｕ ｙｍ ｔ ｄ ｂ ｕ ｙｔ ｖｓｏ ｔ ｅｕ ｓｏ ａ ｕａ ｎ ａ ｅｉ ａ ｓ ｎｉ ｉ ｄｓ ｄ ｅ ｏ ｓａｏ ｔ ｅｓｓ ｍ ａｄ ｇ ｅ ｕ ｅｒｓｌ ｆｃ ｃ ｌ ｏ ｄ ｄ ｓ ｎ ｅ ａｔ ｎ ｔ ｈ ｈ ｔ ｅ ｎ ｉ ｈ ｔ ｔ ｌ ｔ ｎ ｉ ｇ
２ ｏ ０８
电脉 冲 除冰 系统 的建 模 与计 算 分 析
姚 远 ，林贵平
１０ ８ ） ００ ３
（ 北京航空航天大学 航空科学与工程学 院 ，北京
摘
要 ：电脉 冲除冰系统是上世纪 ８ Ｏ年代 以来新兴 的飞机用 电动・ 械式除 冰技 术 ，国内关 于该方 面的研 究 机
飞机电脉冲除冰系统峰值电流测量
飞机电脉冲除冰系统峰值电流测量杜骞;朱春玲【摘要】电脉冲除冰通过高压电容器瞬间向脉冲线圈迅速放电,在金属蒙皮内引起涡流,产生一类似锤击的脉冲力使冰破裂、脱离蒙皮并弹走.其显著优点是低能耗、高可靠性,且几乎不需要维护.通过提出电脉冲除冰系统理想放电模型,得到峰值电流随回路电阻、线圈电感的变化曲线.进行峰值电流理论计算数据与试验数据对比,为人工结冰状态下进行除冰试验提供参考依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)035【总页数】6页(P81-86)【关键词】电脉冲除冰;模型;涡流;峰值电流;试验【作者】杜骞;朱春玲【作者单位】南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016;南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】V244.15据《中国航空报》报道，2014年3月15日上午9时13分许，ARJ21-700新支线飞机104架机从西安阎良机场腾空而起，远赴加拿大进行自然结冰试飞。
该型机抵达加拿大温莎机场后，自然结冰试飞科目将在加拿大五大湖地区进行。
这是中国自主研制、拥有完全自主知识产权的新型涡扇支线客机首次飞出国门开展自然结冰试飞。
飞机自然结冰将使飞机升阻特性恶化、失速攻角及稳定性裕度减小、操纵性能降低，可能引起发动机空中熄火、飞行中显示数据失真等。
简而言之，飞机结冰轻则使飞机气动特性降低，重则造成机毁人亡。
为了消除飞机结冰对飞行安全造成的危害，保证飞机在结冰气象条件下安全飞行，人们不断尝试探索行之有效的除冰方法。
而随着飞机尺寸增大和飞行速度的增加，防冰所需能量也在不断增加，人们希望找到一种既有一定防冰效能而能量又相对比较节省的防冰方法，为此出现了“电脉冲除冰”方法[1]。
电容器与脉冲线圈所组成的电路由晶闸管进行导通(图1)，导通后，贮能电容器向脉冲线圈放电，此时在线圈周围建立起迅速形成并快速衰减的磁场。
此磁场在金属蒙皮内产生涡流，线圈与蒙皮之间将产生相互作用力达数百牛顿、作用时间不足0.1ms的脉冲力。
飞机电脉冲除冰技术研究进展
飞机电脉冲除冰技术研究进展通过对电脉冲除冰装置、除冰过程动力学分析方法以及除冰结构的疲劳测评方法等方面的研究进展进行综合分析，初步揭示了电脉冲除冰技术在系统结构、除冰模拟以及疲劳性能等方面的优良性能和潜在问题，期望为电脉冲除冰技术的发展和完善提供参考；提高飞机除冰系统的工作效率，确保结冰环境下的飞行安全。
标签：电脉冲除冰；飞机除冰；研究进展0 引言最早有关电脉冲除冰的思想[1]始于上世纪30年代，美、苏、英、法等国先后开展了相关研究与测试，由于缺乏对基本问题的深入研究和商业因素等多种原因，美、英、法等国相继放弃了这一研究计划，唯有前苏联在1972年首次将电脉冲除冰系统[2]应用在飞机上，但是并未广泛应用。
直到上世纪80年代初，美国重新启动电脉冲除冰研究计划[3]，由NASA、Wichita州立大学和工业联盟（Industry Consortium）共同发起，开展了一系列深入研究以及大量冰风洞和飞行测试，揭示了电脉冲除冰的潜在优势，使之赢得了广泛的关注和研究热情。
本文期望从电脉冲除冰装置、除冰过程动力学分析方法以及除冰结构的疲劳测评方法等方面对飞机电脉冲除冰技术的研究进展进行全面综述，为电脉冲除冰系统设计与发展应用提供技术参考。
1 电脉冲除冰装置电脉冲除冰的基本原理如图1（引自文献[3]）所示，利用脉冲电路产生的磁场与金属蒙皮上产生的感应磁场间相互作用的脉冲排斥力，引起蒙皮的高速振动，将附着在蒙皮外侧的冰层去除[3-5]。
根据脉冲线圈的作用方式和安装位置可以将电脉冲除冰装置分为四种基本结构[3]：双侧型、前置型、推拉型和反作用型，如下图2（引自文献[3]）所示，其中双侧型和反作用型更适用于薄蒙皮和复合材料蒙皮除冰。
为了获得理想的除冰效果，通常沿机翼前缘展向布置多个电脉冲线圈，根据前缘结构的动力学特性和冰层结覆情况，利用程序控制每个线圈的触发顺序，以达到整体快速除冰的要求。
此外，美国Cox&Company公司的Al-Khalil等[6]提出了一种电脉冲与电热相结合的混合式除冰方法，如图3（引自文献[6]）所示，试验证明具有不错的除冰效果，然而高耗能和复杂的过程控制是需要解决的主要问题。
飞机防除冰方法的总结与探究
飞机防除冰方法的总结与探究作者：周煜杰来源：《现代商贸工业》2019年第01期摘要：飞机防除冰一直是飞机设计以及安全性验证主要研究课题。
从飞机结冰的基本原理出发，综述了近年来防除冰系统的研究成果，按条理详细总结了目前应用于飞机的两大除冰方法和四大防冰方法，同时在热气防冰的基础上，借鉴发动机涡轮叶片的“气膜冷却”技术，提出一种新的更有效的“气膜防冰”技术。
飞机防除冰的相关梳理与探究对飞机的安全运行有着重要意义，具有较大的研究价值。
关键词：结冰飞行安全;飞机除冰;飞机防冰;气膜防冰中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/ki.1672-3198.2019.01.0991引言自投入运行以来，飞机结冰一直是威胁飞行安全的重要因素。
当飞机穿行于对流层时，会遇到各种极端气候，而飞机的机翼、发动机前端以及各个探测装置正完全暴露在这种环境下，极易出现结冰现象。
根据冰层特性，可将冰层分为毛冰，透明冰和混合冰。
据美国NTSB官方记载，1978年至今至少有800起飞机事故或事件与飞机结冰有关，造成了重大的人员和财产损失。
因此必须要采取有效的防除冰措施对飞机加以防护。
本文从结冰的原理出发，主要总结了国内外现有的防冰和除冰技术，着重论述了除冰系统中的气动带除冰和电脉冲除冰的工作原理和利弊，详细介绍了防冰系统中的液体防冰、涂层防冰、电加热防冰和热气防冰。
最后在前人研究的基础上提出了一种新的防冰方式——气膜防冰，并进行了相关的论述说明。
2飞机除冰方法对于飞机的某些系统部件，当结冰紧急程度不高或处于可控状态时，可以短时间允许部件表面形成较薄的冰层，并周期性去除，这样可以降低系统的能量消耗，且机动性更强，除冰效果更佳。
下面我将对主要的两种除冰方法进行相应的介绍。
2.1气动带除冰法“气动带除冰技术”又称“膨胀管除冰技术”，它是将除冰带安装在机翼表面，在飞机尚无结冰现象时，膨胀管紧贴在飞机表面，进而减小对飞机的影响。
电脉冲除冰仿真冰层松脱准则研究
电脉冲除冰仿真冰层松脱准则研究一、研究背景随着航空业的发展，飞机上的冰层问题日益严重。
除冰是保证飞行安全的必要措施之一。
传统的除冰方式主要是使用化学物质或机械方式，但这些方法都有一定的缺陷，如化学物质对环境污染大，机械方式需要消耗大量能源和时间。
因此，电脉冲除冰技术逐渐受到关注。
二、电脉冲除冰原理电脉冲除冰技术是利用高压电场产生的强电场效应，在极短时间内使结冰表面产生瞬间高温和压力差，从而导致结冰层松脱。
其基本原理是利用高压电场在导体表面形成局部放电现象，在放电过程中产生强烈的热量和气体膨胀力，使结霜或结冰层松脱。
三、仿真模型建立为了深入了解电脉冲除冰技术的工作原理和效果，需要建立仿真模型进行分析。
仿真模型主要包括以下几个方面：1.材料模型：根据实际使用的材料，建立相应的材料模型，包括热传导、热容和密度等参数。
2.电场模型：建立电极和导体之间的电场模型，确定高压电场的分布情况。
3.热传输模型：根据电脉冲产生的高温效应，建立热传输模型，分析结冰层的温度变化。
4.气体膨胀模型：根据放电产生的气体膨胀力，建立相应的气体膨胀模型。
5.结冰层松脱准则：根据实验数据或经验公式，建立结冰层松脱准则。
四、仿真结果分析通过对仿真模型进行计算和分析，可以得到以下结果：1.高压电场分布情况：根据电极间距离和工作电压等参数计算得到高压电场在结冰层表面的分布情况。
结果显示，在电极边缘处高压强度最大，有助于产生局部放电现象。
2.温度变化规律：在放电过程中，结冰层表面温度会迅速升高，并在数微秒内达到高温状态，从而导致结冰层松脱。
3.气体膨胀力分布：在放电过程中，气体膨胀力会产生，其分布情况与电场分布情况相似。
气体膨胀力的大小取决于电极间距离和工作电压等参数。
4.结冰层松脱准则：根据实验数据或经验公式，建立结冰层松脱准则。
结果显示，在一定的电极间距离和工作电压范围内，可以实现有效的除冰效果。
五、应用前景电脉冲除冰技术具有许多优点，如能耗低、环保、除冰效率高等。
飞机电脉冲除冰技术探讨
飞机电脉冲除冰技术探讨何舟东;朱永峰;周景锋【摘要】Based on the introduction of anti de-icing system and the analysis of aircraft devel-opment,it is proposed in this paper that the Electro-Impulse De-Icing (EIDI)is a promising tech-nology for aircraft de-ice.The phylogeny,application and development status of EIDI is dis-cussed.EIDI has been developed abroad for years,and preliminary engineering application has been realized.However,the domestic research on EIDI has been constrained mainly in the scope of theory,and thus it is urgent to conduct relevant application-oriented research to master the key techniques.In the end,the problems and challenges of domestic research on EIDI are discussed and the research directions in the future are proposed.%在对飞机防／除冰方式及其应用与优、缺点介绍的基础上，结合现代飞机发展趋势，提出电脉冲除冰技术是极具发展前途的飞机除冰方式，并对其发展历史、应用情况和发展现状进行论述。
《浅析电气化铁路接触网除冰方法》——解读
<<浅析电气化铁路接触网除冰方法>>——解读解析覆冰覆雪是在严寒天气时产生的一种自然现象，而电气化铁路作为我国高速及重载铁路的主要牵引方式，如果接触网覆冰会影响受电弓与接触网之间的相互作用，容易导致受电弓从接触网上取流不畅、产生电弧烧伤供电设备等问题，严重时甚至会导致接触网断线、中断铁路行车等严重事故，严重影响了铁路牵引供电安全正常的运行，对我国的经济发展、民生问题产生较大的影响。
接触网覆冰的原因主要是外部气象条件发生变化所产生的一种自然现象，是由温度、湿度、冷暖空气对流、环流等因素共同决定的一种物理现象。
空气中的水分在零度或者零度以下时，附着在接触网的表面并冻结结冰，由此形成了接触网覆冰的现象。
在以前人们采用的主要是机械除冰，即人工敲击接触网，使接触网受迫震动，覆冰因而掉落。
但这种除冰方法的效果不是十分理想，并且可能会对接触网线路造成一定的破坏。
本篇文章就介绍了一些当今国内外比较成熟的除冰方法。
其一，基于焦尔电热效应的热融冰方法。
通俗的将就是利用热量来融化冰来达到除冰目的。
具体的操作就是在覆冰接触线中施加电压，进而在线路中产生电流，从而利用导线输电电流产生的热效应来融化接触线表面的覆冰。
这种方法因传输电流的不同又可以分为交流电流融冰方法以及直流电流融冰方法。
这种方法在实际中普遍采用，但是融冰时间如果控制不好可能会损伤接触线。
其二，基于高频脉冲的除冰方法，具体来说有高频高压激励除冰法和电脉冲除冰方法。
高频高压激励除冰的方法是在覆冰导线区域外施加高频激励电流，将覆冰转化成为有损的电介质，从而使覆冰内部产生热量。
电脉冲除冰的方法是采用电容器组向线圈供电。
线圈通常置于接触线附近，从而引起线圈产生强大的磁场，使得接触线上产生一个持续时间短、幅值较高的机械力，覆冰会在机械力作用下破裂，从接触网上脱落。
高频激励融冰则会产生高频的电磁波，从而干扰正常通信；电脉冲除冰的方法则可在不断电的情况下开展融冰工作。
风机叶片电脉冲除冰工艺的实验研究
风机叶片电脉冲除冰工艺的实验研究摘要：风力发电机组叶片在冬季可能被冰覆盖，这可能导致风电场停电，造成巨大的社会影响和经济损失。
目前，国内外关于风力发电机组叶片除冰的技术和经验较少。
根据风机叶片的特点，提出了一种电脉冲除冰的方法，即对电脉冲除冰的分布式脉冲线圈进行绕组，通过对线圈电流波形的测量和分析，得到了合理的绕组。
利用COMSOL软件对铝板进行电动力学模拟分析，得到了冲击力的分布。
通过对人工气候室的模拟试验，表明该电脉冲技术可以通过合理的参数协调，有效去除接触轨的冰，具有除冰速度快、效率高、能耗低的特点。
关键词：风力发电机组叶片，脉冲线圈，电脉冲除冰1.引言世界上的风能资源主要集中在高海拔和高纬度地区，冬季建设的风电场在低温环境下容易形成冰覆盖的叶片[1][2]。
由于地理位置、温度、高度等特殊，春夏容易出现冰现象，严重影响风电场的安全运行和功率输出[3][4]。
在冰条件下，风电场风力机叶片的气动形状发生变化，气动性能急剧下降，降低了风力机的输出，影响了风力机的整体安全稳定运行[5]。
发生结冰后，风机叶片升力减小，阻力增大，输出功率减小。
当镀冰风力发电机的负荷增加时，风力发电机的叶片就会发生额外的振动[6]。
镀冰叶片在旋转过程中可能会飞出，造成安全事故。
这些不利影响最终将反映在风力发电机组的运行和运行中维修费用。
因此，风力发电机组叶片的冰覆盖问题已成为制约严重冰覆盖地区风电资源开发和利用的重要因素，也是保证风力发电安全稳定运行迫切需要解决的问题发电机组。
因此，预防和解决冬季冰季风机叶片结冰问题已成为风电场生产和管理面临的一个难题。
解决冬季冰季风机叶片防冰除冰技术是当务之急，是提高高原地区风电场管理和安全水平的有效途径之一。
国内外的学者和科研机构对风力机叶片除冰技术进行了大量的相关研究，开发了多种风力机叶片除冰技术。
如叶片振动和超声波叶片除冰机械除冰法、叶片涂漆防冰法、采用电能直接加热的叶片热除冰法等。
飞机电脉冲除冰系统参数设计
飞机电脉冲除冰系统参数设计
何舟东
【期刊名称】《航空科学技术》
【年(卷),期】2014(000)006
【摘要】介绍了电脉冲除冰系统的组成与工作原理，分析了系统能量、电容、电压、电阻等参数对除冰性能的影响，提出了电脉冲除冰系统参数的合理选择及计算方法，为除冰系统的工程应用奠定了基础。
【总页数】5页(P33-37)
【作者】何舟东
【作者单位】中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安 710089
【正文语种】中文
【中图分类】V221
【相关文献】
1.飞机电脉冲除冰技术探讨 [J], 何舟东;朱永峰;周景锋
2.飞机电脉冲除冰技术研究进展 [J], 董文俊;张永杰;赵宾宾
3.电脉冲除冰系统线圈的设计及优化 [J], 王渊;朱春玲;付斌
4.飞机电脉冲除冰系统峰值电流测量 [J], 杜骞;朱春玲
5.飞机电脉冲除冰电源系统的研究 [J], 陈鹏;葛红娟;杨宗翰
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电磁脉冲除冰在输电线路中的运用
电磁脉冲除冰在输电线路中的运用电磁脉冲系统除冰在输电线路中的运用摘要：电磁脉冲除冰(EIDI)是利用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的导电板(即目标物)上产生一个幅值高、持续时间断的机械力，使冰破裂而脱落。
本文简要的介绍了电磁脉冲除冰的原理和方法，分析了能量、电容和电压等电气参数，线圈的几何参数以及输电导线材料等对除冰性能的影响。
根据国内外研究现状以及试验室实验研究，认为电磁脉冲方法容易引起线路舞动，所以并不适合长跨度的输电线路。
关键词：电磁脉冲；输电线路除冰；线路舞动0引言输电线路发生覆冰闪络事故，对输电线路安全运行造成威胁。
冰在输电线路沉降的类型、数量和形状是不同，这与线路跨越地区的地形和气象情况、线路的结构、线路杆塔的结构等有关。
为了保证线路的正常运用，寻道员用带电操作杆或其它类似的绝缘棒只能为很少的一部分覆冰线路除冰，劳动密集且不经济。
本文总结了电磁脉冲除冰的原理和方法，分析了电磁脉冲方法在输电线路除冰的可行性。
1 电磁脉冲原理电磁脉冲除冰(EIDI)的原理是采用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的导电板(即目标物)上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，使冰破裂而脱落。
当施加脉冲时，电动力引起目标物的金属表面轻微的收缩和扩张，使得附着在上面的冰滑落，达到除冰的目的。
电磁脉冲系统的装置电气原理如图1所示。
电容器组图1 EIDI电气装置原理图图1中的目标物可以是待除冰的物体(比如飞机的机翼)，或者是铝板(此铝板与待除冰物体相连)，或者是另一个线圈(此线圈与待除冰物体相连)，对于输电导线，目标物可以是后两种。
电磁脉冲的产生是对可控硅外加一个触发信号，让电容器组对脉冲线圈放电。
因为可控硅具有二极管特性，EIDI电路的电流就像弱阻尼的RLC电路的响应。
为了防止电容器组的反向放电，设置了钳位二极管来保护电容器组。
EIDI电路电流波形如图2所示。
图2 EIDI电路电流波形图3说明了由EIDI线圈产生磁场和在目标物中感应的漩涡电流。
电脉冲除冰仿真冰层松脱准则研究
电脉冲除冰仿真冰层松脱准则研究一、介绍在极寒的地区，飞机和其他设备表面的结冰问题一直是一个严重的挑战。
传统的除冰方法如机械去冰和化学去冰存在效率低、成本高的问题。
电脉冲除冰技术是一种新兴的除冰方法，可以在短时间内将结冰层有效地除去。
本文将详细探讨电脉冲除冰仿真冰层松脱准则的研究。
二、电脉冲除冰原理电脉冲除冰技术是利用电能产生的瞬间高温和高压，通过在冰层上施加瞬时的高能电场，使冰层迅速融化，从而达到除冰的目的。
电脉冲除冰系统由高能电源、电极和控制系统组成。
电源提供高压和高能电流，电极通过与冰层接触将电能传递给冰层，而控制系统负责控制电源输出和电极工作。
三、电脉冲除冰仿真模型建立为了研究电脉冲除冰过程中的冰层松脱准则，需要建立一个仿真模型。
仿真模型可以模拟电脉冲除冰时冰层的行为，如温度变化、融化速度等。
通过仿真模型可以对电脉冲除冰的效果进行评估和优化。
3.1 模型假设在建立仿真模型之前，需要明确一些模型假设。
假设可以简化问题，使得仿真模型更易于建立和分析。
一些常见的假设有：均匀冰层、恒定环境温度、忽略风速影响等。
3.2 模型参数建立仿真模型需要确定各种参数的数值。
它们包括冰层的导热系数、熔化潜热、环境温度、电场强度等。
这些参数的选择会直接影响仿真结果的准确性和可靠性。
3.3 模型方程仿真模型基于一些基本方程，如能量守恒方程和质量守恒方程。
这些方程可以描述冰层的温度和融化速度随时间的变化。
建立这些方程需要考虑导热、热辐射等热传导机制。
3.4 有限元分析为了求解模型方程，可以使用有限元方法进行数值求解。
有限元方法将连续的物理问题离散化成有限个节点和单元。
通过在节点上逼近解的形式，可以将模型方程转化为一个线性代数方程组。
通过求解这个方程组，就能得到冰层温度和融化速度的数值解。
四、研究结果与讨论通过对电脉冲除冰仿真模型的研究，可以得到一些有用的结果和结论。
可以通过改变电脉冲的参数，如脉冲宽度、频率等，来优化除冰效果。
架空地线电磁脉冲除冰装置参数优化
引用格式：黄欢, 杨旗, 吴建蓉, 等. 架空地线电磁脉冲除冰装置参数优化[J]. 中国测试，2024, 50(3): 137-143. HUANG Huan,YANG Qi, WU Jianrong, et al. Parameter optimization of overhead ground wire electromagnetic pulse de-icing device[J]. China Measurement & Test, 2024, 50(3): 137-143. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2021120095架空地线电磁脉冲除冰装置参数优化黄 欢1， 杨 旗1， 吴建蓉1， 蒋兴良2， 曾华荣1， 陈 宇2(1. 贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002; 2. 重庆地格科技有限责任公司，重庆 400044)摘 要: 输电线路覆冰严重影响电网的安全运行。
2008年南方大面积冰灾之后，我国针对输电线路除冰开展广泛研究。
由于地线电气参数和接地性质，无法对其实施短路融冰，因此地线除冰是输电线路覆冰中的一个难题。
针对架空地线覆冰问题，该文设计并研制电磁脉冲除冰装置和电磁脉冲力冲量测量装置，绕制同心单层饼式结构线圈，分析各种参数变化对脉冲效应的影响，并计算除冰装置的能耗。
研究结果表明：在合理的脉冲线圈匝数下，可以通过增加除冰目标物的厚度、提高脉冲电容器组电压、减小除冰目标物与脉冲线圈之间的间隙等方法，使电磁脉冲力冲量增加；随着电磁脉冲效应的增强，能够有效去除目标物的覆冰从而降低功耗。
关键词: 电磁脉冲; 除冰; 线圈中图分类号: TB9文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2024)03–0137–07Parameter optimization of overhead ground wire electromagnetic pulse de-icing deviceHUANG Huan 1, YANG Qi 1, WU Jianrong 1, JIANG Xingliang 2, ZENG Huarong 1, CHEN Yu 2(1. Electric Power Research Institude of Guizhou Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China;2. Chongqing De-Icing Group Technology Co., Ltd., Chongqing 400044, China)Abstract : Icing on transmission lines seriously affects the safe operation of power grid. After the massive ice disaster in South China in 2008, a lot of research was carried out in China. Due to the electrical parameters and grounding properties of ground wire, short-circuit ice melting cannot be carried out on it. Therefore, ground wire de-icing is a difficult problem in transmission line icing. Aiming at the icing problem of overhead ground wire, this paper designs and develops the electromagnetic pulse de-icing device and the electromagnetic pulse impulse measuring device, winds the concentric single-layer cake structure coil, analyzes the influence of various parameters on the pulse effect, and calculates the energy consumption of the deicing device. The research results show that: Under a reasonable number of pulse coils, the electromagnetic pulse force can be increased by increasing the thickness of the de-icing target, increasing the voltage of the pulse capacitor bank,and reducing the gap between the de-icing target and the pulse coil. With the enhancement of the electromagnetic pulse effect, the icing of the target can be effectively removed, so as to reduce the power consumption.Keywords : electromagnetic pulse; de-icing; coils收稿日期: 2021-12-16；收到修改稿日期: 2022-03-25基金项目: 南方电网有限责任公司防冰减灾重点实验室支撑项目（GZKJXM20190748）通信作者: 黄 欢（1978-），女，湖南新邵市人，高级工程师，硕士，主要从事输电线路技术研究工作。
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电流脉冲激励时 , 将在金属平板和线圈之间产生 一个相互排斥的力 。
1 电脉冲除冰系统的原理与应用
111 电脉冲除冰机理 E ID I系统是电动-机械除冰系统的一种 , 其主
电路结构如图 1所示 。
图 3 流过脉冲线圈的电流
由于线圈和金属平板中的电流都是环形流动 的 , 可以假设在任意一段很短的距离内 , 电流流 经的都是小段的平行导体 , 而电流又是连续的 , 那么情况就和流过电流方向相反的平行两导体相 互排斥的情况相同了 。图 4 示出最终线圈与金属 平板会产生相互排斥的力的作用 。
以上关系曲线一定程度上反应了欲得到某一
68 飞 机 设 计
第 28卷
电流所需要的系统参数的变化趋势 , 而电流大小 会影响到脉冲力作用 , 是决定除冰效果好坏的关 键 。因此可作为试验设计和试验结果评估的依据 。
第 p个单元的阻抗为 ΔRp , 流过电流为 xp , 各个 单元存在自感 M pp 和互感 M pq , 并且有与线圈间 互感 M pk 。
国内在这方面研究起步较晚 , 无论理论还是 实践方面都与发达国家差距较大 。
2 系统充放电电路设计与分析
211 模型与计算方法 抽象出的理想模型相当于二阶的 RLC放电回
路 , 电路模型见图 6。
图 6 电脉冲除冰系统的电路模型
开关闭合之后 , 原本储存在 C 中的能量开始 向 R 和 L 释放 , 在整个动态过程结束之后 , 能量 全部转化到线圈 L 中 , 开关断开 。如有需要 , 电 容再次充电 。由基尔霍夫第二定律不难得出整个 电路中电压的关系为 :
3 电动力学模型的建立与分析计算
311 建模方法与相关假设
文献 [ 5 ]中给出了两种较复杂的建模方法 ,
分别是 Henderson 模型和 B ernhart - Schrag 模 型 ,
经过比较分析 , 这里选用 B ernhart- Schrag模型进
行系统关键参数的计算 。由于翼型的复杂性 , 在
第 28卷 第 1期 飞 机 设 计 2008年 2月 A IRCRA FT D ES IGN
文章编号 : 1673- 4599 (2008) 01- 0064- 07
V o l128 N o11 Fe b 2008
图 4 两平行导体流过反向电流时的受力情况
安装时 , 在机翼蒙皮内侧放置电脉冲线圈 , 线圈与蒙皮间有一小间隙 , 防止线圈与蒙皮相碰 。 根据前缘的尺寸和形状 , 沿翼展放置适当个数的 线圈 。线 圈 由 前 粱 或 安 装 于 翼 肋 上 的 横 粱 支 承 [ 3 ] , 图 5示出一个典型安装在翼展方向的系统 。
图 1 电脉冲除冰系统基本电路
工作原理 : 电源电压经升压电路升压 , 给电 容器充电 , 充电到需要电压值后断开电源 , 触发 可控硅整流器 ( SCR )使电容器向线圈放电 , 线圈 中流过强大的瞬时脉冲电流产生的磁场 , 作用在 金属蒙皮内 , 使之产生感应涡流 (如图 2 所示 ) , 使线圈与蒙皮之间产生作用时间为 m s级 、大小 为几百至上万 N 的排斥力 。此脉冲力使蒙皮在弹 性变形范围内进行小振幅 、高加速度的运动 , 冰 被击碎松解 , 并依靠气流吹走脱落 。在本文研究 中将使用一块金属平板作为试验对象 , 其材料与 机翼蒙皮相同 。
im
=
u0
ωL
e-δt
( 16 )
212 计算结果与分析
用 MATLAB 编写 M 文件可以计算在电压 U 、
线路总电阻 R 、线圈电感 L 、电容值 C 中的一个
为变量 , 其余 3个值是定值时的线圈电流的变化
趋势 。
图 7～图 9 依次给出了电容充电电压 、线路
电阻 、线圈电感和电容值对峰值电流的影响 。根
Key words: electro- impulse de - icing ( E ID I) ; electro - dynam ical model; coil current; eddy cur2 rent; normal force
美国一项统计指出在 1983～2003年间 , 由结 冰造成的事故 约占飞 行总 事故 的 13%。去年 4 月 , 美国联邦航 空管 理局 ( FAA ) 的记 录表 明在 2004到 2005年的结冰季节里 , 共发生了 6 起相 关事故 [ 1 ] 。在国内进入 90年代以来 , 由于结冰原 因造成的事故也呈逐年上升趋势 , 特别是 2006年 的 “613空难 ”, 由于多次穿越结冰区而导致机上
- uC + uR + uL = 0
(1)
又有
i = - C duC
(2)
dt
进一步可以得到
uR
= Ri
= - RC duC dt
(3)
uL
=L
di dt
=-
LC
d2 uC d t2
(4)
将上述式 (3) 、 (4)代入式 (1)得
LC
d2 uC d t2
+ RC duC dt
+ uC
=0
(5)
这是一个关于 uC 的常系数二阶方程 , 当 R
(2) 电路总等效电阻的变化导致放电时间和 到达峰值电流的时间都变化 , 但包括峰值电流在 内所受到的影响是比较小的 ;
(3) 电感增大时电流峰值减小 , 电容增大峰 值电流增大 , 但电容的变化对峰值电流的影响大 一些 ;
(4) 峰值电流出现的时间基本上在整个放电 周期的 1 /5到 1 /4时间范围内 。
收稿日期 : 2007- 08- 17; 修订日期 : 2007- 12- 05
40人全部遇难 。 目前使用的防 /除冰方法包括 : 引气式防冰 、
气囊除冰 、防冻剂防冰和电热防冰等 , 但它们都 存在一定局限性 , 不能满足新飞行器的性能要求 , 因此开发研究安全可靠的除冰系统是当务之急 , 电脉冲除冰的新技术应运而生了 。
A stronautics, B eijing 100083, China)
Abstract: Electro- Impulse De- Icing is classified as a electric- m echanical m ethod to expel ice on air2 craft. This technology arose in the 80 th age last century. Interiorly, as a result of commencing late it is lack of interrelated research and conclusion about electro- impulse de- icing. This paper addresses an essentiality and study methods about the system and gives out the results of calculation and design for the circuit at first, and then p resents an electro- dynam ical model to calculates key parameters and p rotracts their graphs. A t last, valuable analysis and evaluation according to a design examp le is given to solve further p roblem s.
据工程上实现的元器件参数性能要求 , 对定值的
选取为 : U = 1 000 V , R = 011Ω , L = 10μH , C =
第 1期 姚 远 等 : 电脉冲除冰系统的建模与计算分析
67
400μF, 每组计算了 20个相应变量的点 , 各点连 接得到曲线图 。图 10 是在一个放电周期内 20 个 对应时间点上线圈电流随时间的变化曲线 。
β
=
ω a rc sinω
( 13 )
0
利用三角函数的幅相换算关系 , 最后得到二
阶 RLC放电回路的电容电压表达式和电感电流表
达式分别为 :
uC
=
u0ω0 ω
e-δt
sin (ωt
+β)
( 14 )
i = - C duC dt
=
u0
ωL
e-δt
sin
(ωt)
( 15 )
不难看出 , 峰值电流的大小为
2
L 时,
C
特征根
p1 ,
p2 是一对共轭复数
δ= R
(6)
2L
ω2 = 1 - R 2
(7)
LC 2L
那么 , 特征根为
p1, 2 = - δ ±ωj
(8)
谐振频率
ω o
=
1
= δ2 +ω2
(9)
LC
推出
可以得到
ω=
ω2 0
- δ2
δ
=
ω 0
co
sβ
ω
=
ω 0
sinβ
( 10 ) ( 11 ) ( 12 )
NASA 的刘易斯研究中心在冰风洞已做了大 量关于该除冰系统的测试 , 另一部分在美国进行 的飞行测试是由 NASA 和 Cessna飞机公司共同进 行的 。试验过的机型包括 : Cessna - 206, B eech,
Tw in O tter, Gates Learjet, LearFan, Rohr Falcon, Boeing 757[ 4 ] , 在所有这些被试验对象中 , 都成 功地完成了除冰 。
迄今为止 , 美 、欧等国的许多研究中心和相
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