题目：热气防冰系统腔内传热特性的试验研究

热气防冰系统腔内通常采用笛形管阵列射流冲击前缘防冰壁面的高效换热形式为主要的流动传热结构，热气来源为飞机发动机引气，防冰热量大，换热性能强，一般可以达到“加热区内完全蒸发”防冰的目的，是其它种类的防冰系统不能够比拟的，加之可靠性高，成为目前飞机（包括我国正在研制的支线客机ARJ21以及大型客机C919）机翼和发动机等重要结冰部位最为常用的结冰防护装置，但此系统同样带来了不利因素如增大发动机燃油比耗、减小发动机推力、能量浪费大。如何在保证热气防冰系统提供足够飞机防冰所需要的热量条件下，进一步提高其自身的防冰热效率至关重要，这就必须依赖于对腔内流动传热过程的深入了解。

然而，热气防冰系统腔内的笛形管射流换热虽然属于阵列射流冲击换热的范畴，但是运用在热气防冰系统这样一种特殊的结构下（包括阵列射流孔分布在笛形管的圆周表面上和冲击壁面是连续变曲率的翼型凹表面等），转变成了一种更具三维特性和更加复杂的全新阵列射流冲击换热结构，目前针对这一结构下的流动传热特性的研究还不全面，尤其缺乏试验研究。

基于此背景，本论文以典型的带笛形管喷射结构的热气防冰系统作为研究对象，采用反向热流测量法，深入开展了防冰系统腔内笛形管射流流动传热特性的试验研究，详细揭示了防冰系统的供气参数和复杂结构参数对腔内传热性能和防冰系统热效率的影响规律，较全面的掌握了腔内流动换热的现象，并系统的总结了笛形管单孔射流冲击前方翼型表面的滞止点处换热、笛形管阵列射流冲击腔内前缘内壁面局部换热性能分布以及平均换热性能随无量纲化的重要影响参数的试验关联式，并在此基础上提出了一套较完整的防冰系统结构预设计和性能评估的方法，本论文的具体内容如下：

1、搭建了基于反向热流测量法的热气防冰系统腔内流动换热特性研究的试验系统，并开发了一种新型的开放式热气防冰腔试验装置，该装置可以在保证防冰腔腔体承压气密性的同时，灵活实现腔体和不同结构笛形管的组合，以及灵活调节各笛形管在腔体内的放置位置，以实现本论文试验对热气防冰系统腔内复杂结构的全面关注；对试验用笛形管射流孔的流量系数进行了详细的测定与分析，并建立了流量系数的试验关联式。

2、研究了孔壁距H/d、射流入射角α、和入射点曲率对热气防冰系统腔内的单孔射流撞击滞止点处局部换热性能的影响规律，得出：存在最佳的孔壁距H/d使得单孔射流撞击滞止点处能够获得最高的换热Nup值，垂直射流的撞击滞止点处能够比倾斜射流获得明显更好的换热性能，入射点曲率半径ρ对射流滞止点换热性能的影响作用要明显弱于参数射流入射角α等重要的结论；并分析了这些现象产生的原因和机理；拟合了单孔射流撞击防冰壁面滞止点处的换热性能试验关联式。

3、研究了笛形管射流冲击壁面的弦向换热性能分布的影响特性，并重点考察了相对管壁距Zn/d、射流孔在笛形管周向的布置角度θ对换热性能分布的作用规律。对试验中的重要现象（如：存在最佳的管壁距Zn/d，使得射流前方壁面获得最好的弦向换热性能分布、在小管壁距Zn/d情况下，射流前方壁面弦向会出现除滞止点以外的第二个强化换热峰值等）进行了详细的分析；对改变射流孔在笛形管周向的布置角度θ导致的射流入射角度、射流的入射点曲率、冲击驻点区范围的变化，所带来的弦向换热性能的不同分布规律进行了详细的阐述。建立了局部换热性能的二维弦向衰减分布模型。

4、研究了笛形管阵列射流冲击驻点区、射流防冰腔前缘防冰壁面的平均换热性能的影响特性，得出：供气流量Gm能够明显影响腔体的平均换热性能；存在最佳的相对管壁距Zn/d，使得冲击驻点区和射流腔前缘能够获得最好的平均换热性能；射流孔的周向布置角度θ对平均性能的影响实质是冲击驻点区的弦向弧长范围r/d的影响；射流入射角度和入射点曲率对平均换热性能影响不明显等重要结论，并拟合了射流冲击驻点区、和射流防冰腔前缘防冰壁面平均换热性能的试验关联式。

5、针对热气防冰系统的效率和设计工作展开了研究，得出：与供气压力比较，流量是影响防冰热效率的更主要因素，流量越大，效率越低；凡是能够促进射流腔平均换热性能的结构因素均能够促进热效率的增长；依然存在最佳的相对管壁距Zn/d使得防冰系统获得最高的换热效率等重要结论。并在此基础上，结合获得的换热性能试验关联式，总结并阐述了一套防冰系统结构预设计和性能评估的方法。

本文的重要结论能够较系统的揭示热气防冰系统腔内流动的换热特性，对防冰系统的初期研制和后期性能评估具有重要的意义。