面向过冷大水滴适航验证的结冰探测技术研究

过冷大水滴（Supercooled large droplet,SLD）结冰超出了常规防除冰系统的防护范围,是一种更为严重的结冰情形,极大地影响着飞行安全。在美国联邦航空管理局14 CFR 25.140条款中明确提到为保证飞机在SLD结冰条件下的安全运行,首先且必须要对SLD结冰气象环境进行探测。由于水滴破碎会改变水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,而水滴飞溅对结冰极限位置影响不大,因此本文通过研究大、小粒径水滴在飞机上收集范围不同的特点,提出一种可以满足SLD结冰适航符合性的结冰探测技术。该结冰探测技术采用常规结冰探测器,根据水滴收集范围将其布置于不同敏感结冰部位,可以实现全剖面飞行的结冰环境探测。     

3m×2m结冰风洞试验技术研究进展

3 m×2 m结冰风洞于2013年建成，近年来该风洞的试验技术研究取得了一系列的进展。首先对风洞概况和相关试验技术进行了介绍，包括总体情况、性能指标、试验能力等，重点阐述了该结冰风洞已形成的云雾场参数校测、冰形特征捕获、热气防冰和电热除冰等试验技术。其次，对发动机、直升机结冰与防除冰、过冷大水滴和冰晶雨雾模拟等结冰风洞试验技术新的发展方向进行了分析和探讨，提出了发展思路。可为结冰风洞建设与试验技术的研究提供参考。     

利用自然低温的风力机结冰风洞实验系统设计

为研究风力机叶片的结冰特性与防除冰方法,设计了一种简便、低成本的结冰风洞实验系统。利用北方冬季的自然低温条件,将常规的开口射流风洞加以改造,安装水雾喷射系统和结冰测试段以提供结冰环境条件。在冬季进行了结冰验证实验,对结冰风洞的3个主要参数:温度稳定性、液态水含量和过冷水滴平均直径进行了测试和标定。结果表明,在环境温度相对稳定的冬季时间段内,主要指标可在一定程度上满足风力机结冰实验要求。     

过冷大水滴结冰探测技术研究进展

过冷大水滴结冰是飞机结冰防护领域出现的新问题和新挑战,大水滴结冰探测是保障飞机飞行安全的关键技术,制约飞机结冰防护系统的整体发展。论文搜集和整理了相关科技文献,从结冰机理和探测原理角度分析了结冰探测技术所面临的新挑战和机遇,通过对最新适航规范的分析,总结了大水滴结冰探测技术的新要求。按技术成熟度为主线对过冷大水滴结冰探测技术进行了详细介绍和全面总结,并首次提出探头型结冰探测器的水滴轨迹检测和溢流特性检测分类方法。     

过冷大水滴相继撞壁对结冰影响的实验研究

目前过冷大水滴（SLD）撞击结冰机理未能清楚解释SLD间的相互干扰对撞击结冰过程的影响。实验用高速相机拍摄双SLD偏移一定位置相继撞击壁面结冰的物理过程，研究双SLD落点间的偏移、相继撞击的时间间隔对结冰形态及结冰速度的影响。实验表明:双SLD间的相互干扰会抑制撞击后的回缩行为进而影响结冰形态，降低结冰速度，延长双SLD完全冻结时间:双SLD落点位置偏移量的大小对结冰形态和结冰速度的影响均很大，相继撞击时间间隔的长短对结冰形态影响不大，主要影响结冰速度。     

冰风洞过冷大水滴云雾水滴质量分布模拟

准确模拟过冷大水滴（Supercooled large droplet, SLD）云雾水滴质量分布是最新的结冰适航条款要求，也是当前冰风洞试验技术难点。以14CFR 25部附录O规定冻毛毛雨水滴累计质量分布曲线为目标，在冰风洞中开展过冷大水滴结冰条件模拟研究。基于水滴质量分布要求进行大水滴云雾与小水滴云雾匹配性分析，并在FL-61风洞喷雾系统现有条件下开展大水滴喷嘴喷雾性能测量，将生成的具有不同液态水含量（Liquid water content, LWC）和体积中值直径（Medium volume diameter, MVD）特征的云雾参数组合，在试验段中心位置生成了水滴质量分布曲线接近附录O规定的冻毛毛雨条件。研究结果表明，采用分别模拟相应水滴质量分布的大水滴和小水滴云雾，再进行组合喷雾能够较好地预测和指导在冰风洞中构造大水滴云雾，同时验证了在冰风洞内能够采用两种喷嘴模拟水滴质量为双峰分布云雾条件的可行性。     

考虑水滴动力学效应的结冰试验相似准则

为了突破结冰风洞进行模型缩比试验时可能遇到的试验段尺寸和风洞模拟能力2方面的限制,本文从保证绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似以及结冰过程的热力学特性相似等角度出发,对影响飞机结冰过程的相似参数进行提炼,提出水滴运动及撞击过程中的水滴变形/分裂相似要求为韦伯数相似和水滴飞溅相似要求为撞击参数K相似这2个约束条件,综合已有常规结冰相似准则的研究,建立了一套考虑水滴动力学效应的结冰试验相似准则。并采用数值模拟的方法,对所提出的相似准则进行了验证,结果表明,该准则有效,可以应用于冰风洞试验,作为试验的理论指导和参数选取依据。     

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.     

飞机结冰中水滴撞击特性欧拉法的网格影响分析（英文）

过冷水滴撞击特性计算研究是飞机结冰预测与防除冰系统性能分析的基础,欧拉法是过冷水滴运动及撞击特性计算的常用方法之一,分析欧拉法在计算复杂表面水滴运动撞击时的准确性具有重要意义。以NACA0012翼型、冰风洞风道、S形进气道及三段翼为研究对象,利用欧拉法采用不同网格计算获得了水滴运动及局部水收集系数,结果表明：当水滴运动没有受到上游部件的导流或者遮挡时,欧拉法计算结果具有网格无关性;当水滴运动受到上游部件影响发生轨迹偏转时,欧拉法计算结果具有网格相关性,不同网格计算得到的液态水含量及局部水收集系数不一致,需要进一步考虑水滴运动受到上游效应影响时网格对欧拉法计算结果的影响。     

基于水滴收集特征的SLD探头外形参数化设计与仿真研究

面对过冷大水滴（Supercooled large droplet,SLD）结冰环境,行之有效的结冰探测手段是实施规避策略、尽快脱离SLD结冰环境的先决条件。针对一种面向SLD环境探测需求的双碰撞面探头,考虑基于SLD动力学模型,模拟分析探头水滴收集特征进行探头外形参数化设计研究,研究影响探头区分SLD环境的关键几何参数,从而为探头外形设计提供参考依据。对选定的探头外形仿真计算结果表明,在常规水滴条件下,结冰主要发生在探测器的第一碰撞面,第二碰撞面上的结冰厚度很小,与第一碰撞面之间存在明显差异;而在SLD条件下,冰层在第一及第二碰撞面上均有累积。不同直径的水滴撞击到探头不同位置,形成累积特征迥异的结冰形态,验证了探头外形参数化设计方法应用于SLD环境探测的有效性。     

考虑动力学效应的结冰试验相似准则修正方法

结冰相似准则是将飞行条件转换为试验参数的重要理论方法，然而现有的相似准则多基于小水滴结冰过程而提出，其在应用于大水滴的相似转换时会出现较大偏差。针对这一现状，开展考虑水滴动力学特性的结冰相似准则研究。首先，基于ONERA相似准则，融入关于水滴变形破碎和飞溅动力学特性的相似参数，提出了修正的结冰相似准则；其次，基于这两种相似准则，采用数值模拟的方法计算获得了修正前后的收集系数，并对比验证了修正方法的有效性；最后，分析两种修正方法得到的试验参数随尺寸缩比的变化情况，给出了所修正的相似准则在结冰试验中的应用建议。结果表明，本文修正方法提高了局部收集系数的吻合度，降低了收集系数平均误差和撞击极限误差，且应用该准则得到的缩比试验参数在结冰风洞的设计范围之内。该修正方法可以为过冷大水滴结冰风洞试验相似变换提供指导。     

大型季节性可移动式结冰风洞及其试验方法研究

利用冬季自然低温进行结冰试验是飞机大尺寸部件和整机结冰试验的有效方法.文章总结了法国、加拿大、美国、俄罗斯等国家季节性结冰风洞的主要参数,分析了季节性结冰风洞在大尺寸机翼、螺旋桨和飞机等方面的试验能力.基于中国航空工业空气动力研究院季节性可移动式结冰风洞开展了螺旋桨结冰和机上地面结冰试验方法研究,分析了螺旋桨结冰和冰脱...     

结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究

喷雾系统是结冰风洞中进行云雾参数模拟的核心设备,其雾化喷嘴的性能直接影响结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。结冰风洞运行过程中的压力、温度、风速以及雾化水滴的温度、初始粒径等均会对进入试验段的云雾参数的最终状态产生影响。在0.3m×0.2m 结冰风洞和喷嘴低压试验台上,针对不同风洞运行环境对喷嘴雾化性能的影响进行研究,测量了风洞运行的压力、气流速度、雾化水滴的温度、初始粒径等对粒子蒸发速率及喷嘴性能包线的影响。研究结果表明:风洞的气流环境对云雾粒子的 MVD值影响较大;风洞的气流速度及粒子的初始温度越高,云雾粒子的雷诺数越大,其蒸发速率越大;环境压力对喷嘴的粒径和包络线影响较大,随着环境压力的降低,喷嘴的流量-粒径包络线整体收窄,但对喷嘴的流量影响不大。     

考虑相变时间效应的结冰试验相似参数

结冰风洞试验是进行飞机结冰和防除冰研究的主要手段,结冰试验相似准则是进行结冰风洞试验的理论基础。针对目前的结冰试验相似准则在明冰模拟方面的不足,本文采用液/固相变的基本理论,对飞机结冰过程的液/固相变传热特性进行了分析和研究。在此基础上,提出了一个新的结冰试验相似参数CT,该参数与基于Messinger结冰热力学模型所得到的相似参数的主要区别是考虑到了结冰的干模式和湿模式,体现了相变的时间效应。通过将新的相似参数引入现有结冰试验相似准则中,可有效避免试验压力与速度选取的随意性。以 NA-CA0012翼型和某超临界翼型为对象,对新相似参数的有效性进行了数值仿真评估,结果显示,采用本文提出的相似参数及相应的试验参数确定方法,能够得到与参考条件一致的水滴收集率和结冰,初步说明新相似参数的是有效的,研究结果对于提高明冰及混合冰试验模拟的精度具有较好的参考价值。     

结冰风洞过冷大水滴粒径测量初步研究

过冷大水滴粒径测量方法是结冰风洞过冷大水滴云雾模拟能力的关键组成部分。为评估双通道机载式相位多普勒干涉仪（PDI-FPDR）的过冷大水滴粒径测量能力，利用标准液滴流发生器产生特定尺寸的大粒径液滴流，评估PDI-FPDR的液滴粒径测量不确定度；针对真实大粒径喷雾，同时采用Malvern粒度分析仪和PDI-FPDR测量喷雾粒径特征参数，对比评估PDI-FPDR的大粒径喷雾测量能力。结果表明:PDI-FPDR小粒径通道无法准确测量大尺寸液滴，测量结果显著小于真实液滴粒径（测量粒径189.0 μm的液滴，相对误差为-72.8%）；大粒径通道可以较为准确地测量大尺寸液滴，但精度较差（测量粒径240.5 μm的液滴，相对误差为-5.1%，最大偏差50.2 μm）；对于典型大粒径喷雾，PDI-FPDR小粒径通道测量中值体积直径（MVD）大于75 μm的喷雾适用性较差，大粒径通道的MVD测量值与Malvern粒度分析仪相比偏大。     

结冰风洞试验段水滴分布特性分析

喷雾系统是结冰风洞的主要组成部分,在结冰风洞试验段直接进行不同状态粒子分布特性的测量,会耗费巨大的成本。为此,本文提出一种采用实验测试和数值计算相结合的手段研究结冰风洞试验段水滴分布特性的方法。通过搭建独立的喷雾粒子试验系统,得到喷嘴出口处的粒子分布特性,在此基础上,采用数值方法计算不同水滴在风洞内的运动及传质传热过程,得到不同水滴蒸发之后的直径,进而获得试验段粒子的分布特性。采用该方法对典型雾化状态下3m×2m结冰风洞试验段粒子分布特性进行了研究,对比了空气湿度的影响。研究发现:(1)喷嘴出口处的初始喷雾粒子与试验段的水滴均保持近似正态的分布,试验段的水滴平均直径(MVD)与初始MVD接近,蒸发不能引起明显的MVD变化;(2)虽然空气湿度越小,水滴蒸发量越大,但湿度为100%时试验段水滴的 MVD比湿度为70%时小。研究成果为结冰风洞喷雾系统设计和调试提供了较好的技术基础。     

结冰风洞研究综述

结冰风洞是飞行器结冰和防冰研究的主要地面试验设备.在介绍世界结冰地面试验设备类型的基础上,提出了当今世界有代表性的3座结冰风洞;归纳总结了结冰风洞校准中平均粒子直径和液态水含量两个重要参数的测量方法;探讨了国外对结冰风洞试验相似准则和缩尺模型试验相似参数对结冰试验结果的影响.