本發(fā)明涉及空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，具體的說涉及一種用于在高空結(jié)冰氣象條件下(對(duì)各種容易結(jié)冰的對(duì)象開展結(jié)冰探測(cè)的方法和裝置。

背景技術(shù)：

結(jié)冰是飛行實(shí)踐中廣泛存在的一種物理現(xiàn)象，是造成飛行安全事故的主要隱患之一。當(dāng)飛機(jī)在環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)或在冰點(diǎn)附近的結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí)，大氣中的過冷水滴撞擊到飛機(jī)表面，結(jié)冰現(xiàn)象就很容易在機(jī)翼、尾翼、旋翼、進(jìn)氣道、風(fēng)擋玻璃、天線罩、儀表傳感器等部件表面發(fā)生。飛機(jī)結(jié)冰不僅增加了飛機(jī)的重量，而且破壞了飛機(jī)表面的氣動(dòng)外形，改變了繞流流場(chǎng)，破壞了氣動(dòng)性能，造成飛機(jī)最大升力下降、飛行阻力上升、操作性能下降、穩(wěn)定性能降低，對(duì)飛行安全造成了很大的威脅，因結(jié)冰而引發(fā)的飛行事故屢見不鮮，嚴(yán)重的結(jié)冰甚至可以導(dǎo)致機(jī)毀人亡。

1994年，美國(guó)atr-72通勤飛機(jī)發(fā)生空難，事故調(diào)查組經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究和分析，發(fā)現(xiàn)大尺度過冷水滴結(jié)冰是造成該飛行事故的主要原因，從而使得研究人員越來越重視大尺度過冷水滴結(jié)冰的研究和探測(cè)。大尺度過冷水滴結(jié)冰(sld，supercooledlargedroplet)是far25附錄c中平均水滴直徑大于50微米的過冷水滴。這種尺度的過冷水滴由于體積大、質(zhì)量重、慣性大，氣流跟隨性較差，容易發(fā)生變形、破碎等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，其運(yùn)動(dòng)軌跡與小尺度過冷水滴有較大的區(qū)別，同時(shí)，在凍結(jié)的過程中熱量釋放速度緩慢，使得其在飛行器表面無法立刻發(fā)生凍結(jié)，一部分液態(tài)水溢流到防冰表面的下游，從而在防冰區(qū)外形成無法防除的冰脊現(xiàn)象，這種冰脊對(duì)飛行安全的危害比前緣結(jié)冰更大、更加無法預(yù)測(cè)和控制，是防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)關(guān)注的問題。而在大、小尺度過冷水滴相互混合的復(fù)雜結(jié)冰氣象條件下，設(shè)計(jì)和研制一種可以區(qū)分大、小尺度過冷水滴的結(jié)冰探測(cè)方法和相關(guān)的裝置，是為飛行器防冰系統(tǒng)提供合理觸發(fā)信號(hào)的關(guān)鍵。

目前的結(jié)冰探測(cè)裝置主要由光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。最初的光學(xué)結(jié)冰探測(cè)裝置是依靠飛行員的眼睛，后來逐漸采用具有ccd高感光元器件的相機(jī)或攝像機(jī)。由于飛行器飛行的環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常處于穿云飛行的狀態(tài)，因此，在這種云霧較大的環(huán)境下，這種原理的結(jié)冰探測(cè)裝置局限性較大，很容易發(fā)生誤判的情況?，F(xiàn)在，光纖結(jié)冰探測(cè)裝置可以克服對(duì)周圍云霧環(huán)境的影響，開始成為非接觸結(jié)冰探測(cè)的研究熱點(diǎn)。這種結(jié)冰探測(cè)是通過光反射、散射和透射等原理進(jìn)行結(jié)冰探測(cè)的方法。但是，這種探測(cè)方法也有缺點(diǎn)，光纖的發(fā)射端并不是一個(gè)點(diǎn)光源，而是具有較大直徑的面光源，而且其發(fā)射的光線有很大一部分，由于在穿過冰這種特殊的多孔介質(zhì)材料時(shí)發(fā)生了損耗和偏折等現(xiàn)象，造成了測(cè)量精度和準(zhǔn)度較大的依賴于光纖發(fā)射端形狀、尺寸和面積等，并且受結(jié)冰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征影響很大，這是目前這種結(jié)冰探測(cè)裝置經(jīng)常報(bào)虛警或測(cè)量誤差較大的關(guān)鍵原因。電學(xué)方法的結(jié)冰探測(cè)裝置是利用導(dǎo)電絲在結(jié)冰狀態(tài)下其電阻受到變化的規(guī)律而設(shè)計(jì)的一種結(jié)冰探測(cè)裝置，但其過于敏感，即使雨滴或灰塵在其導(dǎo)電絲表面，也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的變化，從而影響結(jié)冰探測(cè)的準(zhǔn)確性。

力學(xué)方法的結(jié)冰探測(cè)裝置仍然是目前主流的結(jié)冰探測(cè)裝置，在各種型號(hào)的飛行器大量采用和應(yīng)用，具有可靠性高的特點(diǎn)。力學(xué)方法的結(jié)冰探測(cè)裝置是依靠各種產(chǎn)生振動(dòng)的元器件或裝置，對(duì)安裝于飛行器表面的結(jié)冰探測(cè)棒進(jìn)行振動(dòng)，通過測(cè)量其固有振動(dòng)頻率，來估算其表面結(jié)冰質(zhì)量的方法。但是這種方法也有很多問題，最為主要的缺陷就是無法區(qū)分大、小尺度過冷水滴的結(jié)冰條件，所以存在結(jié)冰探測(cè)精確性不夠的缺點(diǎn)。而大、小尺度過冷水滴的結(jié)冰防護(hù)，對(duì)防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和能耗需求差異較大，是影響飛行安全的重要原因。目前，研究人員提出的sld結(jié)冰探測(cè)器外形設(shè)計(jì)方法，均缺乏外形設(shè)計(jì)的依據(jù)，更多是依靠經(jīng)驗(yàn)和直觀的猜想進(jìn)行設(shè)計(jì)。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的易賢等發(fā)明的sld結(jié)冰探測(cè)器，與華中科技大學(xué)葛俊峰等發(fā)明的sld結(jié)冰探測(cè)器，在設(shè)計(jì)方法上非常類似和接近，最終的外形也幾乎相同，均是一擴(kuò)一縮的菱形結(jié)構(gòu)。而且這種結(jié)冰探測(cè)器在零飛行攻角或很小飛行攻角的飛行條件下，可能在區(qū)分大、小尺度過冷水滴的條件具有一定作用，但是在較大飛行攻角條件下，存在測(cè)量誤差較大，甚至無法判別大、小過冷水滴的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述傳統(tǒng)力學(xué)結(jié)冰探測(cè)裝置的缺陷，進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)的一種可以區(qū)分大、小尺度過冷水滴的新型結(jié)冰探測(cè)方法和裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)裝置，包括設(shè)置在測(cè)試表面的圓柱陣列，所述圓柱陣列包括沿著同一軸線依次設(shè)置三個(gè)直徑互不相等的圓柱，圓柱的排列從一端到另一端直徑逐步增加，相鄰兩個(gè)圓柱表面不接觸；

所述圓柱內(nèi)為空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有振動(dòng)件，所述圓柱表面設(shè)置有加速度傳感器，與振動(dòng)件和加速度傳感器連接有信號(hào)采集系統(tǒng)。

在上述技術(shù)方案中，所述圓柱陣列沿著空氣的來流方向分為第一圓柱、第二圓柱和第三圓柱，空氣流的上撞擊極限流線和下撞擊極限流線是繞過第一圓柱前緣上表面和下表面的臨界空氣流線，所述第二圓柱和第三圓柱的設(shè)置在上撞擊極限流線和下撞擊極限流線之間的范圍內(nèi)。

在上述技術(shù)方案中，所述第二圓柱的直徑等于第二圓柱直徑所在區(qū)域的上撞擊流線和下撞擊流線之間的距離。

在上述技術(shù)方案中，第三圓柱的直徑等于第三圓柱直徑所在區(qū)域的上撞擊流線和下撞擊流線之間的距離。

在上述技術(shù)方案中，所述信號(hào)采集系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)分析模塊，所述動(dòng)態(tài)分析模塊的信號(hào)輸入端分別連接到圓柱上的加速度傳感器。

在上述技術(shù)方案中，所述信號(hào)采集系統(tǒng)包括功率放大器，所述功率放大器通過各自的開關(guān)連接到每一個(gè)圓柱內(nèi)的振動(dòng)件上。

一種多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)方法，當(dāng)空氣流從遠(yuǎn)場(chǎng)流向多圓柱陣列，圓柱陣列具有三個(gè)處于同一軸線、且軸線方向與空氣流場(chǎng)方向一致的三個(gè)圓柱，過冷水滴跟隨空氣流撞擊到第一圓柱的表面，過冷水滴與第一圓柱表面撞擊后的產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，飛濺出的過冷水滴跟隨氣流繼續(xù)撞擊到第二圓柱或第三圓柱的表面進(jìn)行結(jié)冰；

通過外部驅(qū)動(dòng)使得各個(gè)圓柱進(jìn)行振動(dòng)，并通過圓柱表面數(shù)據(jù)采集獲取圓柱表面的振動(dòng)振動(dòng)頻率、幅度和相位參數(shù)，用結(jié)冰后采集的圓柱表面參數(shù)與結(jié)冰錢的圓柱表面參數(shù)進(jìn)行計(jì)算獲得過冷水滴的體積。

在上述技術(shù)方案中，所述圓柱陣列包括沿著同一軸線依次設(shè)置三個(gè)直徑互不相等的圓柱，圓柱的排列從一端到另一端直徑逐步增加，相鄰兩個(gè)圓柱表面不接觸。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)方法，其特征在于空氣流的上撞擊極限流線和下撞擊極限流線是繞過第一圓柱前緣上表面和下表面的臨界空氣流線，所述第二圓柱和第三圓柱的設(shè)置在上撞擊極限流線和下撞擊極限流線之間的范圍內(nèi)。

在上述技術(shù)方案中，所述第二圓柱的直徑等于第二圓柱直徑所在區(qū)域的上撞擊流線和下撞擊流線之間的距離。

在上述技術(shù)方案中，第三圓柱的直徑等于第三圓柱直徑所在區(qū)域的上撞擊流線和下撞擊流線之間的距離。

在上述技術(shù)方案中，空氣流中包括兩種尺寸的過冷水滴，一種過冷水滴的平均直徑不超過50微米，另一過冷水滴的平均直徑超過50微米。

在上述技術(shù)方案中，所述平均直徑不超過50微米的過冷水滴在撞擊過程中，其過冷水滴的運(yùn)動(dòng)流線與空氣流線相同，過冷水滴與第一圓柱相撞，在第一圓柱表面進(jìn)行結(jié)冰，且第二圓柱和第三圓柱表面不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。

在上述技術(shù)方案中，所述第二圓柱和第三圓柱處于第一圓柱的上、下撞擊極限流線內(nèi)，也就是處于第一圓柱的水滴遮蔽區(qū)內(nèi)。

在上述技術(shù)方案中，所述平均直徑超過50微米的過冷水滴在撞擊過程中，其過冷水滴的運(yùn)動(dòng)流線與空氣流線存在差異，過冷水滴的上、下撞擊極限流線偏移小，過冷水滴與第一圓柱撞擊后，飛濺出的水滴跟隨氣流撞擊到第二圓柱或第三圓柱的圓柱前緣區(qū)域兩側(cè)進(jìn)行結(jié)冰。

在上述技術(shù)方案中，所述平均直徑超過50微米的過冷水滴撞擊到第一圓柱表面時(shí)，水滴不會(huì)馬上結(jié)冰，部分未凍結(jié)的液態(tài)水往圓柱下游溢流，如果第一圓柱的表面周長(zhǎng)不夠發(fā)生凍結(jié)，未凍結(jié)的液態(tài)水將被氣流吹到第二圓柱前緣區(qū)域表面，而在第二圓柱的前緣，部分未凍結(jié)的液態(tài)水同樣的向圓柱下游溢流然后被氣流吹倒第三圓柱的前緣區(qū)域進(jìn)行結(jié)冰。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明從另外一種視覺，采用最為簡(jiǎn)單的圓柱外形，利用圓柱這種外形對(duì)周圍流場(chǎng)影響小的特點(diǎn)，通過多個(gè)圓柱的排列組合，實(shí)現(xiàn)大、小尺度過冷水滴探測(cè)的目的，具有非常容易實(shí)施、簡(jiǎn)單實(shí)用、適合各種攻角飛行條件的特點(diǎn)。

本發(fā)明結(jié)合了傳統(tǒng)的力學(xué)結(jié)冰探測(cè)方法，在此基礎(chǔ)上，克服了其無法區(qū)別大、小尺度過冷水滴的缺陷，充分發(fā)揮了傳統(tǒng)力學(xué)結(jié)冰探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，較好的協(xié)調(diào)了兼顧大尺度過冷水滴和小尺度過冷水滴結(jié)冰探測(cè)這兩個(gè)矛盾，較好地解決飛機(jī)表面的結(jié)冰探測(cè)問題，這對(duì)于解決飛行器防除冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和保障飛行安全均有著現(xiàn)實(shí)的意義。

本發(fā)明是針對(duì)結(jié)冰氣象條件(包括實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境和真實(shí)大氣環(huán)境下的結(jié)冰氣象條件)，采用多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)的方法，直接用于對(duì)飛行器、風(fēng)力機(jī)和輸電線路等容易結(jié)冰部位進(jìn)行結(jié)冰探測(cè)的過程和目的。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是小尺度過冷水滴條件下多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)方法示意圖；

圖2是大尺度過冷水滴條件下多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)方法示意圖；

圖3是多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

遠(yuǎn)場(chǎng)的過冷水滴分為兩種，一是大尺度過冷水滴(平均直徑超過50微米)，二是小尺度過冷水滴(平均直徑不超過50微米)。圖1、圖2中空氣流1從遠(yuǎn)場(chǎng)流向多圓柱陣列，過冷水滴2跟隨空氣流撞擊到或繞過多圓柱表面，小尺度過冷水滴(平均直徑小于50微米的水滴)由于質(zhì)量較低，慣性較小，則空氣流跟隨性好，其水滴的運(yùn)動(dòng)流線與空氣流線幾乎相同，空氣流的上撞擊極限流線3和下撞擊極限流線4分別是繞過第一圓柱6前緣上、下表面的臨界空氣流線，相應(yīng)的，小尺度過冷水滴的上、下撞擊極限流線與3、4一致。通過數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)第二圓柱7的直徑剛好等于上、下撞擊流線之間的距離，這樣，小尺度過冷水滴2通常只在圓柱前緣區(qū)域發(fā)生結(jié)冰5。而相應(yīng)的，從理論和數(shù)值計(jì)算上分析，第二圓柱7、第三圓柱8表面不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，因?yàn)楹竺鎯蓚€(gè)圓柱處于第一圓柱的上、下撞擊極限流線內(nèi)，也就是處于第一圓柱的水滴遮蔽區(qū)內(nèi)，所以，通常沒有過冷水滴撞擊到第二圓柱和第三圓柱表面。而如果從遠(yuǎn)場(chǎng)跟隨空氣流流入的是大尺度過冷水滴2，由于其質(zhì)量較高、慣性較大，氣流的跟隨性較差，因此，大尺度過冷水滴的運(yùn)動(dòng)流線與空氣流線差異較大，更不容易發(fā)生偏折。所以，相應(yīng)的上、下撞擊極限流線偏移較小，這樣就更容易在第二圓柱7和第三圓柱8的前緣區(qū)域兩側(cè)表面發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象9、10。而且，大尺度過冷水滴由于其體積和尺寸大，容易在跟隨空氣流動(dòng)的過程中發(fā)生破碎，也容易在撞擊到圓柱固壁表面時(shí)發(fā)生飛濺等現(xiàn)象，飛濺出固壁表面的部分水滴容易跟隨氣流撞擊到后面的圓柱前緣區(qū)域兩側(cè)。同時(shí)，大尺度過冷水滴撞擊到圓柱表面部分，由于其體積較大，不容易馬上發(fā)生凍結(jié)，部分未凍結(jié)的液態(tài)水也容易往圓柱下游溢流，如果第一圓柱的表面周長(zhǎng)不夠發(fā)生凍結(jié)，未凍結(jié)的液態(tài)水將被氣流吹到第二圓柱前緣區(qū)域表面。因此，第二圓柱前緣區(qū)域兩側(cè)表面將容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。根據(jù)前面的分析，類似的，第三圓柱前緣區(qū)域兩側(cè)表面也將發(fā)生類似的結(jié)冰現(xiàn)象。

利用質(zhì)量守恒定律，針對(duì)小尺度過冷水滴，情況較為簡(jiǎn)單，第一圓柱表面的結(jié)冰量w1等于小尺度過冷水滴的上、下撞擊極限流線內(nèi)的過冷水滴質(zhì)量，而針對(duì)大尺度過冷水滴，第一圓柱前緣表面發(fā)生大部分的結(jié)冰現(xiàn)象，第一圓柱結(jié)冰量(w1)、第二圓柱結(jié)冰量(w2)、第三圓柱結(jié)冰量(w3)的總質(zhì)量(w)，等于上、下撞擊極限流線內(nèi)的過冷水滴質(zhì)量總和。再輔助于數(shù)值計(jì)算和理論分析，可以通過各個(gè)圓柱表面的結(jié)冰量，反推出大、小尺度過冷水滴的液態(tài)水含量和平均水滴直徑。每個(gè)圓柱之間的間距和直徑，也可以通過計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行確定。

結(jié)冰探測(cè)裝置組成如圖3所示。

圖中：

6是第一圓柱：這是本發(fā)明多圓柱陣列的第一個(gè)圓柱，是多圓柱陣列中最小直徑的圓柱，主要用于收集小尺度過冷水滴和絕大部分的大尺度過冷水滴。

7是第二圓柱：這是本發(fā)明多圓柱陣列的第二個(gè)圓柱，直徑比第一圓柱略大，其直徑d1與空氣流的上、下撞擊極限流線之間的距離相等或接近，主要用于收集少量沒有被第一圓柱收集到的過冷水滴，這部分過冷水滴由于體積大、質(zhì)量重，發(fā)生破碎、飛濺等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的可能性更大，容易在氣流的作用下撞擊到第二圓柱、第三圓柱的前緣區(qū)域表面，從而在第二圓柱、第三圓柱前緣區(qū)域上下兩側(cè)形成角狀的結(jié)冰外形。

8是第三圓柱：這是本發(fā)明多圓柱陣列的第三個(gè)圓柱，直徑比第二圓柱略大，功能是作為第二圓柱的補(bǔ)充，用于補(bǔ)充收集少量沒有被前兩個(gè)圓柱收集到的大尺度過冷水滴和未發(fā)生凍結(jié)的溢流水，從而在第三圓柱前緣區(qū)域兩側(cè)形成少量的結(jié)冰。

13是振動(dòng)元器件：這是一種軸向或徑向振動(dòng)的壓電陶瓷或其它電控方式的高頻振動(dòng)元器件，或者機(jī)械方式的高頻振動(dòng)偏心輪，可以產(chǎn)生較高的振動(dòng)頻率，振動(dòng)頻率從幾赫茲可到幾千赫茲。由于不同質(zhì)量條件下物體的固有振動(dòng)頻率是不同的，因此，根據(jù)固有振動(dòng)頻率與圓柱質(zhì)量特性的關(guān)系，可以獲得該圓柱表面的附加質(zhì)量，從而可以得到圓柱表面的結(jié)冰質(zhì)量，根據(jù)覆蓋圓柱表面的結(jié)冰表面積以及冰層的密度等參數(shù)，可以獲得平均的結(jié)冰厚度，以及單位時(shí)間內(nèi)的結(jié)冰質(zhì)量，也即結(jié)冰強(qiáng)度。

14是電源線：這是連接于供電電源、功率放大器與振動(dòng)元器件之間的導(dǎo)電線纜，起到傳輸電能的作用和功能。

15是開關(guān)：這是用于控制供電電源與振動(dòng)元器件之間通、斷電功能的電子元器件。

16是功率放大器：這是與任意函數(shù)發(fā)生器相連接的儀器，將函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的不同類型信號(hào)進(jìn)行偏置、濾波和增益，使振動(dòng)的信號(hào)達(dá)到破壞或剝離冰層的要求。

17是供電電源：這是為各種儀器、傳感器提供電能的部件，可以將常規(guī)的220v工業(yè)電壓進(jìn)行整流、變壓等，從而產(chǎn)生各種儀器、傳感器所需的電源部件。

18是加速度傳感器：用于測(cè)量防冰部件表面產(chǎn)生振動(dòng)所表現(xiàn)的加速度特性，以此來計(jì)算和分析振動(dòng)頻率、幅度和相位等參數(shù)。

19是采集信號(hào)線：這是傳輸各種測(cè)量信號(hào)的線纜，用于連接各種儀器、傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊，并將采集的電信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集模塊中。

20是動(dòng)態(tài)分析模塊：這是用于采集、分析加速度傳感器所測(cè)量到的振動(dòng)信號(hào)，可以獲得結(jié)冰前、后防冰部件表面振動(dòng)所產(chǎn)生的固有頻率。通過測(cè)量壓電纖維薄膜振動(dòng)的固有頻率，也可判斷防冰表面是否結(jié)冰。如果防冰表面發(fā)生結(jié)冰，則壓電纖維薄膜的固有頻率將發(fā)生較大變化，如果表面沒有發(fā)生結(jié)冰，則壓電纖維薄膜的固有頻率將保持不變。該固有頻率與振動(dòng)表面結(jié)冰的厚度、結(jié)冰類型等均有關(guān)，可以通過大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，將振動(dòng)表面的固有頻率與結(jié)冰厚度、結(jié)冰類型關(guān)聯(lián)起來，建立定量關(guān)系，為振動(dòng)除冰過程調(diào)整振動(dòng)頻率、幅度和相位等參數(shù)提供判別和參考。

21是結(jié)冰探測(cè)表面：這是本發(fā)明應(yīng)用的對(duì)象，可以是飛機(jī)的機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼和尾翼表面，可以是風(fēng)力機(jī)的葉片表面、輸電導(dǎo)線表面，或者是高速列車等其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)裝備需要結(jié)冰探測(cè)的部件表面。

本發(fā)明是基于多圓柱陣列的結(jié)冰探測(cè)方法和裝置，利用最為普遍和最為簡(jiǎn)單的圓柱外形，根據(jù)大、小尺度過冷水滴的氣流跟隨性特征，大尺度過冷水滴的破碎、飛濺等動(dòng)力學(xué)特性，以及圓柱對(duì)不同尺度過冷水滴的收集特性而設(shè)計(jì)的一種可以區(qū)分大、小尺度過冷水滴的結(jié)冰探測(cè)方法和裝置，這種新型結(jié)冰探測(cè)裝置和方法，是在力學(xué)結(jié)冰探測(cè)方法基礎(chǔ)上的一種升華，是利用機(jī)械或電控或電脈沖方式的振動(dòng)方法對(duì)結(jié)冰探測(cè)圓柱進(jìn)行周期性振動(dòng)，采用加速度計(jì)或應(yīng)變計(jì)等獲得其振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度參數(shù)，然后，根據(jù)圓柱固有振動(dòng)頻率與質(zhì)量特性之間的關(guān)系，獲得結(jié)冰探測(cè)圓柱表面的附加結(jié)冰質(zhì)量和平均厚度等對(duì)飛行安全至關(guān)重要的參數(shù)，用于作為啟動(dòng)飛機(jī)除冰系統(tǒng)的信號(hào)和依據(jù)。

首先，必須對(duì)每個(gè)干凈的圓柱進(jìn)行固有振動(dòng)頻率的計(jì)算和測(cè)量，獲得其沒有結(jié)冰條件下的振動(dòng)頻率等參數(shù)，作為圓柱表面結(jié)冰厚度和結(jié)冰質(zhì)量計(jì)算的參考值；

周期性啟動(dòng)圓柱內(nèi)設(shè)置的機(jī)械方式振動(dòng)凸輪、或電控方式的壓電陶瓷或其它方式的振動(dòng)元器件，周期性振動(dòng)策略可以大量降低這種結(jié)冰探測(cè)所需的能量消耗，使其間斷性的產(chǎn)生一定頻率、幅度和相位的振動(dòng)；

利用圓柱表面設(shè)置的加速度計(jì)或應(yīng)變計(jì)等傳感器對(duì)圓柱的振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量，獲得的信號(hào)輸入至動(dòng)態(tài)分析模塊中，進(jìn)行固有頻率的計(jì)算和分析；

如果圓柱沒有結(jié)冰現(xiàn)象，則其固有頻率沒有變化，函數(shù)發(fā)生器和功率放大器保持原有的振動(dòng)參數(shù)及其增益、偏置等，保持步驟a的周期性振動(dòng)策略；

如果圓柱振動(dòng)過程中遭遇了結(jié)冰，則該結(jié)冰圓柱的振動(dòng)頻率等參數(shù)將發(fā)生變化，采用加速度計(jì)或應(yīng)變計(jì)等傳感器測(cè)量結(jié)冰后的振動(dòng)信號(hào)，并輸入到動(dòng)態(tài)分析模塊中進(jìn)行分析計(jì)算，獲得結(jié)冰圓柱的固有振動(dòng)頻率；

根據(jù)事前標(biāo)定的結(jié)冰質(zhì)量和結(jié)冰厚度與圓柱固有頻率之間的關(guān)系，將結(jié)冰后的固有振動(dòng)頻率通過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行計(jì)算，并反饋至飛機(jī)除冰系統(tǒng)中，作為啟動(dòng)除冰的觸發(fā)信號(hào)。

圓柱間的距離和直徑確定方法：

1)利用計(jì)算流體力學(xué)方法，采用低速不可壓縮時(shí)均navier-stokes方程，對(duì)多圓柱陣列周圍流場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，獲得多圓柱陣列周圍的空氣流場(chǎng)。

2)在多圓柱陣列周圍流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用拉格朗日方法，根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)流場(chǎng)入口的過冷水滴跟隨空氣流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得固定的過冷水滴上撞擊極限流線(3)和下撞擊極限流線(4)，作為確定第二和第三圓柱直徑的切線，重點(diǎn)獲得臨界平均水滴直徑50微米的上、下撞擊極限流線。相應(yīng)的，第二圓柱直徑(d2)和第三圓柱直徑(d3)等于上、下撞擊極限流線之間的距離。同時(shí)，第一圓柱和第二圓柱之間的間距h1、第二圓柱和第三圓柱之間的間距h2，不能過大，也不能過小，遵循中等間距的原則，在確定第二、第三圓柱的直徑之后，由于針對(duì)不同尺度的過冷水滴，上、下撞擊極限流線已經(jīng)確定，因此，間距h1和h2也可以確定?；蛘呦却_定間距h1和h2，再通過固定的上、下撞擊極限流線，確定第二、第三圓柱的直徑(d2、d3)。

h1≈(d2-d1)/2(1)

h2≈(d3-d2)/2(2)

3)由于本發(fā)明涉及到大尺度過冷水滴，其在跟隨空氣流動(dòng)的過程中，容易發(fā)生變形、破碎等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，阻力也會(huì)隨相對(duì)雷諾數(shù)變化而發(fā)生改變，因此，小尺度過冷水滴的阻力選擇經(jīng)典的圓球阻力公式，而大尺度過冷水滴的阻力則在圓球阻力公式的基礎(chǔ)上，增加變形、破碎等動(dòng)力學(xué)特性的影響，使其運(yùn)動(dòng)軌跡的捕捉更加準(zhǔn)確。

4)當(dāng)過冷水滴靠近物體表面時(shí)，由于過冷水滴的慣性比空氣質(zhì)點(diǎn)的大，因此過冷水滴運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)象空氣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡那么變化劇烈，將盡可能保持原來的運(yùn)動(dòng)軌跡和方向。對(duì)于大尺度過冷水滴，由于其質(zhì)量和慣性更大，因此更容易偏離空氣流線，從而形成變化更為緩慢的運(yùn)動(dòng)軌跡線，因此，這些大尺度過冷水滴也更容易撞擊到第二和第三圓柱的前緣兩側(cè)，從而形成溢流冰。

5)在所有的過冷水滴運(yùn)動(dòng)軌跡簇中，與圓柱前緣的上、下表面相切的兩條運(yùn)動(dòng)軌跡是上、下撞擊極限流線。處于這兩條運(yùn)動(dòng)軌跡之內(nèi)的所有過冷水滴，都將撞擊在圓柱表面。在兩條相切的運(yùn)動(dòng)軌跡之外的過冷水滴，都將繞過圓柱而不會(huì)撞擊到圓柱表面。在這兩條相切的運(yùn)動(dòng)軌跡之內(nèi)，撞擊在圓柱表面上的過冷水滴數(shù)量就是過冷水滴對(duì)圓柱表面的撞擊量。

小尺度過冷水滴平均直徑的確定方法：

為簡(jiǎn)單起見，假定過冷水滴的直徑是均勻一致的。

(1)通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，獲得干凈圓柱的固有振動(dòng)頻率f。

(2)在干凈圓柱表面貼不同的附加質(zhì)量wi，結(jié)合計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，獲得不同附加質(zhì)量下的圓柱新的固有振動(dòng)頻率fn，并建立相關(guān)的頻率和附加質(zhì)量的標(biāo)定關(guān)系式，為結(jié)冰探測(cè)提供標(biāo)定數(shù)據(jù)參考。

(3)將多圓柱陣列結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)放置到結(jié)冰風(fēng)洞中，進(jìn)行不同結(jié)冰氣象條件下的結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量表面結(jié)冰圓柱的固有振動(dòng)頻率，與標(biāo)定關(guān)系式進(jìn)行比較，進(jìn)一步修正固有頻率fn和結(jié)冰附加質(zhì)量wi之間的標(biāo)定關(guān)系。

wi＝f(fn)(3)

(4)假設(shè)來流中的過冷水滴為小尺度過冷水滴，平均直徑為dw，密度為ρ，所以，單個(gè)過冷水滴質(zhì)量dw1滿足如下關(guān)系：

dw＝ρ·4/3·π·(dw/2)³(4)

(5)根據(jù)振動(dòng)探冰原理，結(jié)合前面的標(biāo)定關(guān)系式，可以獲得第一圓柱表面所結(jié)的冰質(zhì)量為w1，冰層平均密度為ρ1，可以獲得圓柱表面的結(jié)冰體積v1及其平均厚度h1：

v1＝w1/ρ1(5)

h1＝w1/(ρ1·a1)(6)

其中，a1是第一圓柱表面的結(jié)冰面積。

(6)圓柱表面發(fā)生凍結(jié)的過冷水滴數(shù)量nw1也可以由下式獲得：

nw1＝w1/dw(7)

另外，圓柱表面的平均結(jié)冰厚度h1還可以根據(jù)如下關(guān)系式計(jì)算：

h1＝nw1·4/3·π·(dw/2)³/a1(8)

(7)假設(shè)來流中的過冷水滴液態(tài)水含量為lwc，夾在上、下撞擊極限流線之間的來流入口面積為a，來流速度為v，過冷水滴的凍結(jié)系數(shù)為θ(比如小尺度過冷水滴在瞬間完成凍結(jié)，則θ＝1，大尺度過冷水滴無法在瞬間完成凍結(jié)，則θ＜1)，在單位時(shí)間t內(nèi),處于上、下撞擊極限流線內(nèi)的過冷水滴滿足如下關(guān)系式：

w1＝lwc·v·a·t·θ(9)

因此，還可以獲得來流中的過冷水滴液態(tài)水含量lwc：

lwc＝w1/(v·a·t·θ)(10)

或者，液態(tài)水含量lwc還可按如下公式計(jì)算：

式中：eb——圓柱表面的水收集系數(shù)，由計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算方法獲得；

v——遠(yuǎn)場(chǎng)來流速度，m/s；

t——結(jié)冰時(shí)間，s。

(8)根據(jù)前面已經(jīng)獲得的液態(tài)水含量lwc，可以獲得單位面積或單位體積內(nèi)的過冷水滴質(zhì)量。前面已通過數(shù)值計(jì)算獲得了固定的上、下撞擊極限流線，夾在兩條極限流線之間的過冷水滴才會(huì)撞擊到圓柱表面，而其它的過冷水滴則會(huì)跟隨空氣流遠(yuǎn)離圓柱。

大尺度過冷水滴平均直徑的確定方法類似于小水滴的方法，均滿足步驟(1)-(4)及其相應(yīng)的公式，區(qū)別在于在第二圓柱會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。

(9)根據(jù)振動(dòng)探冰原理，結(jié)合前面的標(biāo)定關(guān)系式，可以獲得第一圓柱表面所結(jié)的冰質(zhì)量為w1，冰層平均密度為ρ1，可以獲得圓柱表面的結(jié)冰體積v1及其平均厚度h1：

v1＝w1/ρ1(12)

h1＝w1/(ρ1·a1)(13)

其中，a1是第一圓柱表面的結(jié)冰面積。

第二圓柱表面所結(jié)的冰質(zhì)量為w2，冰層平均密度為ρ2，可以獲得圓柱表面的結(jié)冰體積v2及其平均厚度h2：

v2＝w2/ρ2(14)

h2＝w2/(ρ2·a2)(15)

(10)第一圓柱表面發(fā)生凍結(jié)的過冷水滴數(shù)量nw1也可以由下式獲得：

nw1＝w1/dw(16)

第二圓柱表面發(fā)生凍結(jié)的過冷水滴數(shù)量nw2也可以由下式獲得：

nw2＝w2/dw(17)

nw3＝w3/dw(18)

nw＝nw1+nw2+nw3(19)

(11)來流中的過冷水滴液態(tài)水含量lwc：

lwc＝(w1+w2+w3)/(v·a·t·θ)(20)

或者，液態(tài)水含量lwc還可按如下公式計(jì)算：

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。