结冰风洞冰与固壁间剪切黏附应力和强度的初步研究

为研究飞机结冰与固壁间的黏附强度,耦合固体力学实验方法和结冰风洞试验方法,在3m×2m结冰风洞试验段内开展了冰与固壁间的剪切黏附强度测量试验。首先,基于结冰风洞试验段,建立了冰与固壁间剪切黏附强度测量试验装置及其试验模型。然后,通过固定外试验模型、拉伸内试验模型的方式,实现了冰从固壁表面的剥离,并针对此冰层剪切剥离过程建立了相应的计算模型。采用平面弹性力学方程描述该计算模型,采用非结构网格技术对计算区域进行划分,利用有限元方法对控制方程组进行离散,根据不同断裂力学判断准则的适应范围,采用了最大剪切强度准则用于判断剪切拉伸作用对冰层剥离的影响,计算结果表明,随着作用于内试验模型的轴向力载荷增加,冰与固壁间的剪切黏附应力也将增加,由于外试验模型的固定约束,在冰与固壁间的黏附界面两端会出现两个轻微的剪切黏附应力峰值,而在黏附界面中间位置,剪切黏附应力变化比较平缓。结冰风洞试验获得的剪切黏附强度在0.4MPa到1.0MPa之间,与参考文献中的试验结果比较吻合,明冰的剪切黏附强度大、霜冰的剪切黏附强度低,说明本文的试验方法和装置都比较合理,试验结果也验证了计算模型和计算结果的合理性。     

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小。采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性。同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量。采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足。     

小型冰风洞液滴平均容积直径测量研究

水滴平均容积直径(MVD)是冰风洞最基础和最重要的参数之一,MVD测量的准确程度将影响飞行器结冰特性研究。针对小型冰风洞液滴参数测量,提出使用激光粒度仪对冰风洞液滴颗粒直径进行测量,同时采用基于旋转多圆柱法进行MVD测量标定。根据旋转多圆柱结冰特性,对二维旋转圆柱霜状冰结冰过程进行编程计算,结合试探逼近思想编制了旋转多圆柱水滴参数分析软件。用试验实测数据与旋转多圆柱方法标定结果进行对比分析,标定结果与实测结果吻合较好,进而可实现对平均容积直径的快速测量,为冰风洞水滴参数测量校验提供技术保障。     

航空发动机支板热滑油防冰性能试验

在冰风洞内开展了结冰条件下涡轴发动机进气支板的热滑油防冰系统的防冰性能试验研究。试验设计加工了滑油电加热系统,采用可编程逻辑控制器（PLC）监控滑油的温度和流量。在冰风洞中采用全尺寸模型开展滑油防冰性能试验,所开展的涡轴发动机支板热滑油防冰试验参数包括：来流温度为-10,-5℃,来流速度为40 m/s,液态水含量为0.5,1.0 g/m³,过冷水滴平均体积直径为20 μm。试验开展了不同结冰气候条件下、不同滑油通道位置滑油防冰进气支板防冰效果的研究,记录了支板表面温度的变化和结冰情况。试验同时得到了支板防冰能力不足时支板表面的结冰冰型和结冰环境下发动机支板热滑油防冰的特点。     

运输机翼型结冰的计算和实验

采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段,对某运输机机翼剖面缩比翼型的结冰特性进行了研究.结冰实验在气动中心0.3m×0.2m结冰风洞中进行,实验模型为弦长0.18m的层流翼型.翼型的绕流流场通过求解低速黏流的时均Navier-Stokes(N-S)方程得到,采用拉格朗日法计算水滴撞击特性,在此基础上,求解结冰热力学模型...     

开放式结冰条件模拟技术研究

在-1—-9℃的环境温度条件下,采用开放式结冰条件模拟技术可以为民机或军机发动机短舱防冰系统性能试验模拟出合适的结冰气象条件。采用气液两相喷嘴模拟水雾结冰环境时,所采用气体和液体的纯度是过冷水滴产生的先决条件,气液两相压差、风洞吹风速度和试验对象距离是影响结冰气象参数的关键因子。采用改造后的FM-100传感器可实现对结冰气象参数的实时测量。通过升降机构、小角度俯仰和万向轮等辅助结构设计,开放式结冰条件模拟系统可以满足不同试验对象的试验要求,可以适应不同风向的试验环境。具备非常广阔的推广应用前景。     

3m×2m结冰风洞试验技术新进展（2020-2022年）

3 m×2 m结冰风洞是我国“十一五”国家重大科技基础设施，也是国际上尺寸最大的非季节性结冰风洞。自2013年建成以来，已经完成了70余项试验，有力支撑了我国飞机的自主研制和适航取证。本文首先介绍了3 m×2 m结冰风洞的组成和特点，其次重点阐述了2020年至2022年间风洞试验能力和试验技术的若干新进展，通过发展双闭环自适应温度控制技术、多路热气供气防除冰试验技术、冰形在线测量技术、发动机进气精确模拟技术、旋翼结冰与气动载荷同步测试技术等，使风洞的温度场模拟能力、热气防冰试验能力、冰形测量能力、进气模拟能力和直升机旋翼结冰试验能力得到增强，综合试验效率显著提升。最后，针对大型结冰风洞过冷大水滴试验面临的挑战，对下一步试验技术的发展进行了展望。     

基于成核理论的水温对结冰黏附强度影响研究

飞机结冰会影响飞行安全,甚至导致严重的飞行事故。研究积冰与基底的黏附强度,可以为飞机防除冰系统的设计提供具体的指标要求。设计剪切黏附力测量实验平台,利用该实验平台测量基板在不同冻结用水初始温度下的结冰黏附力;采集水/冰在冻结过程中的温度变化,并通过成核理论分析实验现象,着重研究冻结用水的初始温度对黏附强度的影响。结果表明：冻结水温初始温度的增加会促进冰晶成核,进而提高黏附强度。     

移动式冰风洞试验方法研究和应用

为了探索掌握移动式冰风洞校测、结冰和防/除冰试验的一般方法,使其可用于飞机进气系统地面防冰试验,开展了对移动式冰风洞模拟云雾参数的校测。通过金属圆柱管结冰对比确定水滴过冷距离,采用格栅测量云雾均匀性,利用机载雾滴组合探测器测量水滴直径与液态水含量,并对发动机短舱唇口模型、NACA23012翼型模型进行了结冰和防/除冰研究试验。研究表明虽然户外模拟结冰条件受环境因素影响较大,但移动式冰风洞喷雾性能良好,试验能够反映在各因素影响下的一般结冰规律,可以满足飞机进气系统防/除冰试验要求。     

双梭型SLD探测器结冰特性研究

探头式结冰探测器为主流民航或运输类飞机所采用,其用于探测常规水滴结冰条件的技术手段已相当成熟,但探测器对于过冷大水滴(SLD)结冰条件探测和识别能力尚需探索和研究,针对具有双梭型气动外形的结冰探测器,研究其在SLD和常规水滴条件下探头表面的结冰特性,结合过冷大水滴在撞击区域、运动轨迹方面的特性分析了双梭探头构型的设计原理,采用三维结冰数值模拟软件FENSAP-ICE进行空气流场、水滴场和结冰量的数值计算,获得了不同水滴直径下探测器表面的结冰分布,研究了带攻角的典型工况下对水收集和结冰特性的影响,基于光纤传感器的探冰原理,在冰风洞试验中获取探头表面不同位置处的结冰信息,并与仿真结果进行对比,研究表明:该探头构型在SLD和常规水滴结冰条件下具有明显不同的结冰分布,可以通过探测器不同位置处的结冰情况判断是否存在SLD结冰条件。     

大型结冰风洞云雾场适航应用符合性验证

结冰风洞云雾场符合性是大型结冰风洞适航应用的基础。为验证3 m×2 m结冰风洞云雾场符合性，发展了基于SAE ARP5905的结冰风洞云雾场符合性验证方法，针对主试验段构型，开展了结冰云雾场符合性验证试验，获得了试验段内液滴尺寸和液态水含量拟合关系，考察了喷嘴水压、液滴尺寸、试验段气流速度和喷嘴数量对试验段液态水含量的影响，形成了主试验段结冰云雾控制包线。结果表明：主试验段内液滴尺寸分布具有显著的单峰分布特征，体积中值直径（MVD）模拟范围近似在10~75 μm之间；试验段中心处液态水含量随着喷嘴水压和MVD的增大而增大，同时近似与试验段气流速度成反比，与喷嘴数量成正比；增大喷嘴水压和喷嘴数量会提高试验段内云雾液态水含量空间均匀性，但是增大气流速度却会减弱试验段内云雾空间均匀性；3 m×2 m结冰风洞主试验段结冰云雾控制包线可以覆盖大部分适航条例25部附录C结冰气象条件，但对低液态水含量结冰条件的模拟仍存在局限。     

引射式结冰风洞内圆柱结冰试验

设计并建造了用于结冰研究的小型引射式结冰风洞试验系统,对其结冰气象条件参数进行了标定,给出了试验段水雾均匀区范围,验证了试验冰形的可重复性.在霜状冰和瘤状冰条件下,对直径为25.4mm和50.8mm的圆柱在所建的结冰风洞内进行了结冰试验.试验结果表明:在所研究的结冰条件和结冰时间范围内,霜状冰与瘤状冰的结冰厚度均随时间推进而线性增长;在满足结冰相似准则的情况下,冰形相似性结果良好,无量纲厚度的最大偏差约为10%.      

过冷大水滴条件下结冰相似准则

虑到中国现有结冰风洞在过冷大水滴(SLD)结冰条件模拟能力方面的局限,发展SLD结冰风洞及其相应的缩比方法迫在眉睫。研究了大水滴运动机理,并依据绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似、结冰过程热力学特性相似原理,提炼出SLD结冰条件下的6种相似缩比准则,利用结冰数值模拟软件FENSAP-ICE对所提相似缩比准则进行筛选与比较,从而基于结冰相似百分比量化判断准则找出给定条件下的最优准则法。结果表明:考虑SLD运动特性的撞击参数与ONERA法相耦合的方法以及撞击参数与Ruff法相耦合的方法的计算结果与实际成冰构型吻合良好；此外,撞击参数与ONERA法相耦合的方法在计算直径为171 μm的SLD时优于其他。      

基于旋转多圆柱的冰风洞水滴参数分析方法

阐述了基于旋转多圆柱测量仪的冰风洞水滴参数分析方法.对二维圆柱的水滴撞击特性进行了计算分析;对二维旋转圆柱的霜状冰结冰过程进行了数值模拟;根据水滴参数对旋转圆柱结冰量的影响, 结合数学逼近的方法, 编制了由旋转多圆柱测量结果分析计算冰风洞水滴参数的软件, 最后用国外试验数据对软件分析结果进行了验证, 结果表明:计算方法正确, 可以实现冰风洞水滴参数快速测量.      

民用飞机机翼结冰试验与数值预测

描述了某民用飞机在意大利IWT（icing wind tunnel）冰风洞的机翼结冰试验结果.根据冰风洞试验状态点,开展了基于拉格朗日方法和Messinger模型的冰形数值预测，并对试验冰形和数值预测冰形进行了对比分析.霜冰的数值预测结果与试验结果一致性良好,对于明冰,数值结果和试验结果存在一定的差异,原因在于:①明冰结冰过程中较强的绕流变化增大了冰积聚非定常效应对数值预测的影响；②采用的结冰热力学模型对明冰的模拟存在一定局限性；③明冰对于冰风洞设备工况和试验模型表面粗糙度的影响更为敏感.      

结冰风洞中液滴相变效应数值模拟

为明晰结冰风洞中液滴相变效应,发展了基于Euler法的气液两相传质传热耦合流动计算方法,探索了3 m×2 m结冰风洞主试验段构型相变效应对液滴传热过程的影响,开展了参数影响研究,评估了试验段内液滴过冷状态。结果表明：构型内液滴经历了先蒸发后凝结两个阶段,蒸发效应促进了准一维传热阶段液滴温度的下降趋势,使液滴温度趋于湿球温度,而凝结效应则抑制了三维收缩阶段液滴温度的下降趋势,进而增大了试验段液气温差,影响液滴过冷状态;增大初始相对湿度和试验段气流速度,会导致蒸发效应减弱而凝结效应增强,进而增强了相对湿度和气流速度对液滴过冷状态的影响程度,与此相反,初始液滴尺寸的增加,则会导致蒸发效应和凝结效应均减弱,进而减弱了液滴尺寸对液滴过冷状态的影响程度;在典型工况下,小尺寸液滴（液滴直径范围为40~100 μm）在高风速时（试验段气流速度大于164 m/s）将偏离过冷状态（液气温差超过3℃）。     

大型结冰风洞气流场适航符合性验证

大型结冰风洞气流场适航符合性是大型结冰风洞适航应用的先决条件。为验证3 m×2 m结冰风洞气流场适航符合性,首先建立了结冰风洞气流场适航符合性验证方法,然后针对主试验段构型,开展了气流场适航符合性验证试验,考察了试验段气流速度和喷嘴干空气射流对流场特征参数(气流速度、气流偏角和气流湍流度)的影响,最后评估了试验段内气流场品质,获得了结冰风洞气流场控制包线。结果表明:喷雾耙结构会影响试验段内气流速度和气流偏角空间分布形态,进而导致了非均匀峰值区的形成;增大试验段气流速度会改善气流场品质,但喷嘴干空气射流会显著恶化试验段气流速度低于60 m/s的气流场品质;3 m×2 m结冰风洞主试验段气流场品质在主要试验速度范围内均满足适航审定要求。     

结冰风洞试验水滴直径选取方法

结冰风洞是开展飞机结冰研究的主要设备,确定合理的试验水滴大小,是选取结冰风洞试验条件的重要内容。为了研究结冰风洞试验水滴直径的选取原则,针对结冰风洞试验水滴的大小主要取决于试验速度的大小,在推导结冰风洞试验水滴直径选取公式的基础上,用数值方法预测并对比了不同试验速度对水滴大小选取效果及试验结果的影响。采用欧拉法数值计算了不同试验速度及相应试验水滴条件下,试验模型表面的水滴收集率,并与全尺寸物体表面的水滴收集率进行了对比。研究发现:对于小水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值不能取得太低,参考速度升高到一定程度之后,试验速度与参考速度的比值又不能取得太高;对于大水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值也不能取得太低,当参考速度升高到一定程度之后,试验速度和相应试验水滴直径的改变对模型表面的水滴收集率影响较小,试验速度与参考速度的比值在0.3～1.0之间变动,均可以在模型和全尺寸物体上得到一致的水滴收集率。