一种过冷大水滴结冰探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种过冷大水滴结冰探测器。本发明专利技术公开了一种基于过冷水滴运动与撞击的数值计算方法设计过冷大水滴(SLD)结冰探测器外形的方法。现有结冰探测器通过探测大气中的液态水含量、温度等信息，进一步分析是否存在结冰条件。本发明专利技术的目的在于解决现有探测方式只对液态水含量敏感，而不能区分水滴粒径，无法用于SLD结冰探测的问题。其包括第一凸起和后部，第一凸起和后部之间通过凹槽相连。本发明专利技术设计出曲率变化的探测器构型，使得常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部，整个探测器上只有一个连续的撞击区域；在SLD条件下，除了前面部分有过冷水滴撞上以外，后面也将遇到过冷水滴的撞击，这将表现为探测器出现多个不连续的结冰区域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空探测领域，尤其是一种过冷大水滴结冰探测器。本专利技术能够有效确定飞行环境中是否存在过冷大水滴，从而为飞行器结冰安全防护提供保障。
技术介绍
大气高空中存在低于零度，但还属于液态的过冷水滴，这种水滴稍微受到干扰就可能迅速冻结。当飞机穿过含有过冷水滴的云层时，过冷水滴撞击到飞机表面，将会发生结冰现象，结冰是飞行安全的重要隐患之一。过去很长一段时间以来，研究者曾认为飞机结冰主要是由直径小于50μm的过冷小水滴引起的，研究工作也主要针对过冷小水滴进行，1994年美国鹰航空难及之后一系列由于SLD(Supercooled Large Droplet，泛指直径大于50μm的过冷水滴)结冰导致的空难使人们认识到，SLD结冰广泛存在于飞行实践中，对飞行安全造成的危害往往比小水滴结冰更大。现在的结冰探测器只能探测大气中是否存在结冰条件，而不能探测大气中是否存在SLD，国内外现有探测器的方法是：探测大气中的液态水含量、温度等信息，分析是否存在结冰条件，在飞机机体上出现结冰之前而发出告警信号。现有方法只对液态水含量敏感，不能区分水滴粒径，这就使得现有的这些探测器都不能用于SLD结冰环境识别。华中科技大学的葛俊峰、许一飞、周灿等人对SLD结冰探测器设计进行了探索，他们的提出了两种SLD结冰探测器外形的设计方法，一种是利用对SLD分裂性能的一些猜想设计多种外形，依靠实验方法来确定外形，这种方法缺乏外形曲率设计的依据，通过大量的实验挑选符合条件的外形设计方法周期长，成本高；第二种方法是利用SLD撞击到前缘缓慢流入凹槽、再流向后梭侧壁结冰的猜想设计外形曲线，这种方法与前一种方法一样，缺乏外形曲率设计的依据，同样具有设计、验证周期长，成本高的缺点，且这种方法对过冷水滴温度依赖强，如果温度很低，就算有SLD撞击到前缘也会立刻结冰，不会流到凹槽和后梭，这种方法实际上不可行。另外，这两种方法均基于对SLD结冰与常规结冰的结冰特性的一些猜想进行外形设计，但是结冰特性除了与水滴粒径大小相关外，还与温度、液态水含量等其他条件相关，依赖结冰特性的设计方法不能完全区分SLD与常规水滴结冰。综上所述，现有成熟结冰探测器只能探测大气中是否存在结冰条件，而不能探测大气中是否存在SLD；现有SLD结冰探测器的外形设计方法均依赖设计者的一些猜想，缺乏设计依据，设计、验证周期长，成本高，且存在一些设计上的缺陷。
技术实现思路
现有结冰探测器通过探测大气中的液态水含量、温度等信息，进一步分析是否存在结冰条件。本专利技术的目的在于解决现有探测方式只对液态水含量敏感，而不能区分水滴粒径，无法用于SLD结冰探测的问题。本专利技术提供一种基于过冷水滴运动与撞击的数值计算方法设计过冷大水滴(SLD)结冰探测器外形的方法，即一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器。本专利技术的专利技术目的在于解决现有探测方式只对液态水含量敏感，而不能区分水滴粒径，无法用于SLD结冰探测的问题。与常规水滴结冰相比，SLD结冰对飞机飞行安全的危害更加严重，因此，采用合适的方法探测到飞行环境中是否存在SLD，对结冰条件下的飞行安全具有非常实用的工程意义。本专利技术公开了一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器，本专利技术的设计方法利用SLD比常规水滴惯性大，水滴轨迹偏离运行轨迹慢的特点，设计出曲率变化的探测器构型，使得常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部，整个探测器上只有一个连续的撞击区域；在SLD条件下，除了前面部分有过冷水滴撞上以外，后面也将遇到过冷水滴的撞击，这将表现为探测器出现多个不连续的结冰区域。通过结冰区域数来确定飞行环境中是否存在SLD，从而为飞机结冰安全防护提供输入条件。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连；该探测器采用包括如下步骤的设计方法设计而成：(1)设计一个探测器构型，该探测器构型包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，其中，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连；(2)对步骤1设计的探测器构型进行常规水滴下的水滴撞击特性计算，以及过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；(3)若步骤2的结果表明，在常规水滴及过冷大水滴条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，第一凸起和后部均会发生结冰，就无法识别过冷大水滴条件，抬高第一凸起的高度或降低后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；若在常规水滴及过冷大水滴条件下，后部上均没有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，后部的第二凸起都不会发生结冰，也无法识别过冷大水滴条件，降低第一凸起的高度或抬高后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；若在常规水滴条件下，水滴只撞击在探测器构型的第一凸起上，而在SLD条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到，表明该探测器构型符合要求，结束设计，即可。所述后部由一个第二凸起组成，所述第一凸起与第二凸起之间通过凹槽相连。该结构形成前凸起、中凹进、后凸起的构型。所述第一凸起能在常规水滴和SLD条件下结冰；所述后部的第二凸起在常规水滴条件下部不结冰，在过冷大水滴条件下能结冰。所述后部由一个第二凸起组成，所述第一凸起与第二凸起之间通过凹槽相连。所述步骤3中，通过探测器构型是否存在多个不连续的结冰区域判断是否存在过冷大水滴，通过探测器构型后部的结冰情况区分过冷大水滴和常规水滴。所述步骤1中，所述后部由一个第二凸起组成，所述第一凸起与第二凸起之间通过凹槽相连。所述步骤3中，所述第一凸起的高度和后部的高度基于常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算结果。针对前述问题，本专利技术提供一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器。本专利技术的方法中，设计一个曲率变化的探测器构型，使得常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部(即第一凸起上)，整个探测器上只有一个连续的撞击区域；而在过冷大水滴条件下，除了前部(即第一凸起上)有过冷水滴撞上以外，后部也将遇到过冷水滴的撞击，在探测器上从而表现出多个不连续的结冰区域。以最简单的三个撞击区域为例，该探测器包括第一凸起和第二凸起，第一凸起与第二凸起通过凹槽相连，即该探测器由两个凸起部分组成，以第一凸起作为前凸起部分，以第二凸起作为后凸起部分。探测器的前凸起部分在常规过冷水滴下会出现结冰，而后凸起部分不会出现结冰现象；而在SLD条件下，探测器的前凸起部分和后凸起部分均会出现结冰情况。通过探测器不同位置的结冰情况来探测是否存在结冰条件，同时区分出SLD结冰与常规过冷水滴的结冰。采用本专利技术的探测器，常规水滴只能撞击在探测器前凸起部分(即第一凸起)，SLD情况下则即可以撞击到探测器的后部上，通过结冰位置的不同来识别SLD结冰。本专利技术中，第一凸起、凹槽、后部形成前面凸起、中间凹进去、后部再凸起的构型，从而形成凹凸曲线的斜率变化，而凹凸曲线的斜率变化正是本专利技术设计的关键因素。通过对探测器结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连；该探测器采用包括如下步骤的设计方法设计而成：（1）设计一个探测器构型，该探测器构型包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，其中，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连；（2）对步骤1设计的探测器构型进行常规水滴下的水滴撞击特性计算，以及过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；（3）若步骤2的结果表明，在常规水滴及过冷大水滴条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，第一凸起和后部均会发生结冰，就无法识别过冷大水滴条件，抬高第一凸起的高度或降低后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；若在常规水滴及过冷大水滴条件下，后部上均没有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，后部的第二凸起都不会发生结冰，也无法识别过冷大水滴条件，降低第一凸起的高度或抬高后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；若在常规水滴条件下，水滴只撞击在探测器构型的第一凸起上，而在SLD条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到，表明该探测器构型符合要求，结束设计，即可。...

【技术特征摘要】
1.一种过冷大水滴结冰探测器，其特征在于，包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连；该探测器采用包括如下步骤的设计方法设计而成：（1）设计一个探测器构型，该探测器构型包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，其中，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连；（2）对步骤1设计的探测器构型进行常规水滴下的水滴撞击特性计算，以及过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；（3）若步骤2的结果表明，在常规水滴及过冷大水滴条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，第一凸起和后部均会发生结冰，就无法识别过冷大水滴条件，抬高第一凸起的高度或降低后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；若在常规水滴及过冷大水滴条件下，后部上均没有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，后部的第二凸起都不会发生结冰，也无法识别过冷大水滴条件，降低第一凸...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志宏，易贤，桂业伟，朱国林，王勋年，
申请(专利权)人：空气动力学国家重点实验室，
类型：发明
国别省市：四川;51