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。     

基于液滴定向反弹的混合润湿性表面设计准则（英文）

液滴撞击固体表面的定向反弹在防结冰/起雾、自清洁等工程应用中具有重要意义。混合润湿性表面已被证明是一种有效的液滴操纵方法。本文对液滴撞击构筑有亲水条纹的疏水基底进行数值模拟研究，采用已验证的扩散界面法来捕获界面演化。首先，研究卫星液滴在撞击过程中的形成过程，通过分析液滴的垂直速度和横向速度，明确混合润湿性表面在液滴扩散、收缩和反弹阶段中的作用。然后，系统探究条纹宽度对液滴反弹形式和接触时间的影响，重点关注液膜演化和液滴弹跳过程中的动力学和能量传递机制。所得结果可以指导混合润湿性表面的优化设计和液滴定向回弹的控制。     

内融冰盘管动态蓄冰特性数值模拟与实验研究

采用焓法建立了管外结冰过程的二维动态数学模型,数值模拟了冰层沿换热管径向及长度方向的动态生长规律,并在此基础上分析了载冷剂进口温度、流量变化和不同结冰时间等对冰层动态生长及蓄冷特性的影响,并进行了实验验证。实验结果表明:在结冰初期的2 h内冰层厚度及动态蓄冷量数值模拟结果与实验数据误差较大,而在蓄冰过程结束时二者吻合较好,误差在10%以内;沿载冷剂流动方向冰层厚度逐渐减小,数值模拟与实验结果基本吻合。数值模拟结果与实验数据基本相符,验证了建立的数学模型的合理性。     

电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

采用计算和实验相结合的方法,初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响.在电加热条件下,耦合外部气动力载荷的作用,采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布,比较了加热/不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别,研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律.研究发现,电加热条件下,在表面冰层融化前,热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加,从而 造成冰层局部区域的破裂,加速冰层的破坏.同时,设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破坏影响.研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义.     

水滴结冰结霜及合成双射流除霜除冰实验研究

对水滴结冰结霜过程及合成双射流除霜除冰过程进行了实验研究。实验中利用半导体制冷片作为实验板将温度从室温降低到-30℃,在水滴凝固结冰结霜后启动合成双射流激励器。采用电子显微镜观测水滴凝固结冰结霜过程及合成双射流除霜除冰过程。结果显示:在合成双射流的作用下,霜的结构迅速由细长针叶状变为短粗的柱状冰晶,霜的厚度变薄;随后,由于合成双射流强迫对流换热作用,凝固水滴上的冰晶及锥形冰尖发生融化,凝固水滴上冰晶高度缓慢下降,锥形冰尖变平滑,融化的液态水在沿凝固水滴向下流动时遇冷再冻结,与下游冰晶结为更加质密的小颗粒状白霜,凝固水滴变矮,与冷平面接触面积增大。     

飞机结冰探测器安装位置研究

基于飞机结冰探测器安装要求,通过三维数值仿真,模拟了机头表面流场和水滴撞击特性.通过标定水滴遮蔽区和浓度增加区引入危险位置点的概念,对结冰探测器的安装位置进行了分析,模拟了安装位置处结冰探测器探头表面和飞机主要迎风部件表面的水滴收集特性和结冰特性,并进行对比分析.分析结果表明探头表面的最大收集系数、结冰强度和结冰程度等...     

蓄冰盘管冰层厚度测量及管外蓄冰性能实验

提出了一种新型简便的冰层厚度测量方法,该方法用测量冰层内温度分布的方法间接测量冰层动态厚度及冰层的相界面生长规律。对蓄冰盘管外结冰过程的实验研究表明,测量方法可靠,具有较高的测量精度;实验发现,蓄冰盘管外上部冰层生长较快,而下部冰层生长较慢,而在实验参数范围内管内乙二醇水溶液流量对冰层生长速度影响不大。     

冰层中Lamb波传播特性的数值模拟和实验研究

作为最常用的超声导波之一,Lamb波具有能量集中、传播范围广、沿程衰减小等特点,可以拓展应用于结冰探测领域。为探明Lamb波在冰层中的传播规律,基于Lamb波探冰实验平台构建物理模型,以COMSOL Multiphysics软件为计算工具,数值模拟了不同厚度、不同长度冰层中的Lamb波传播情况。在此基础上,搭建了Lamb波探冰实验平台,开展了无冰铝板和覆冰铝板Lamb波传播实验。结合数值模拟和实验结果,明确了温度、冰层几何特性、液态水对Lamb波传播特性的影响规律。结果表明：温度越低,Lamb波传播群速度越快;在一定冰层厚度范围内,接收端压电片电压幅值衰减量随冰层厚度增大而增大;随着冰层长度增加,接收端Lamb波B1模态时间延迟量线性增大;液态水仅对Lamb波A0模态产生影响,对S0模态影响不大。实验和数值模拟结果具有较好的一致性,为Lamb波结冰探测技术提供了理论参考。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响.结果表明:有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动.NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率.NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火.NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低.凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小.NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构.     

风驱动下平板水膜表面波动特性实验研究

飞机表面在过冷水滴持续撞击下存在未冻结的液态水,液态水在气流驱动下向后发生回流.流动过程中水膜表面波动改变了液体的质量分布,进而影响结冰过程的传热特性.本文针对风速在16.5～45.5 m/s和水膜雷诺数在24.17～96.69范围内,采用了数字图像投影(Digital image projection,DIP)技术进...     

液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术,研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品表面后的动态铺展过程,获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小,不会对液滴的铺展过程产生明显影响;在较低的撞击速度下,柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素,且随着柔性材料弹性模量的减小而增大,因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小;当撞击速度增大后,粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低,液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高,柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。     

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.     

水滴变形及其对阻力特性影响的实验研究

为了探索飞机结冰研究中水滴撞击过程的变形行为发生机理和本质特征，提高结冰数值模拟的精准度，利用高速相机对水滴加速运动过程的变形现象进行了实验研究。通过研究，定义了水滴变形过程的4个典型形态，分析了水滴变形与各无量纲量的关系，拟合了水滴变形后的阻力系数曲线和计算式。研究表明:水滴在气动力作用下会发生显著的变形现象，依次历经圆球形、椭球形、半球形、圆盘形4种典型形状；水滴的纵横比随韦伯数(We)的增大呈线性减小，随邦德数(Bo)的增大呈双曲线减小；水滴变形会导致其阻力系数增大，在Re=500左右时，水滴阻力系数曲线开始脱离球形阻力系数曲线，逐渐增大至接近圆盘形阻力系数曲线，这与其变形过程一致。     

风力机防冰热载荷计算

采用一种新的基于压力和剪切力的溢流水流量计算方法进行部件表面防冰热载荷数值模拟。求解雷诺平均N-S方程,嵌入k-ωSST湍流模型获得空气流场;欧拉法求解水滴质量和动量守恒方程,获得部件周围水滴速度分布和表面水滴撞击特性;基于传统的Messinger控制容积思想,分析控制体的各项热流,建立质量守恒和能量守恒方程,引入溢流水质量流量计算方程,封闭控制方程,求解方程组获得表面所需的防冰热载荷。采用本文提出的新的流量计算方法获得了NACA0012翼型表面的结冰冰形,并与试验数据进行对比,说明了流量计算方法的正确性。计算分析了不同条件下表面的防冰热载荷分布,结果表明,工作风速和液态水含量的变化既影响了防冰热载荷大小,也影响了溢流范围,而工作温度仅影响防冰热载荷,水滴平均容积直径仅影响溢流范围。     

高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;（4）当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ_∞L）外推热流失效,使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;（5）当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小。     

高超声速对流环境下冷点效应对圆箔式热流传感器测热特性的影响研究

在高超声速对流环境测量气动加热时,圆箔式热流传感器表面温度往往低于被测物体表面温度,这种表面温度的不连续会影响边界层流动,使热流测量结果产生偏差。针对高超声速对流条件下的钝头-平板模型,采用数值模拟方法研究了传感器表面局部低温引起的"冷点效应"形成机理以及对表面热流的影响。结果表明:被测物体表面壁焓H_w与恢复焓H_re的比值H_w/H_re越高,"冷点效应"越明显;传感器表面温度T_w2与被测物体表面温度T_w1的比值T_w2/T_w1越小,"冷点效应"越明显;来流雷诺数Re对"冷点效应"影响较小。在马赫数Ma=18的来流条件下,研究分析了冷点效应对传感器测量结果的影响,结果表明:冷点效应使测量结果偏高1.25倍,复现了热流预示结果与试验结果的差异。     

探测器安装结构对航天器壁温测量的影响分析

针对飞行试验中飞行器薄壁壳体测量温度与预测温度存在较大差异这一问题，采用气动热工程算法结合热传导计算方法，分析了测温探测器安装结构对测点温度的影响，并提出了改进措施。结果表明:对于薄壁结构飞行器在上升段有气动加热、其表面处于升温过程或热量由壳体表面向内部传导时，测温探测器安装结构对测点温度基本无影响。但当飞行器处于飞行中段，在辐射散热、表面温度低于壳体内部温度造成热量由壳体内部向外表面传导时，测点温度受原探测器安装结构影响明显，测量温度明显低于不装探测器时的预测温度；而采用本文提出的探测器安装方案，可明显降低对测点温度的影响，在飞行器的测点位置最大影响小于0.5K。     

防除冰过程中的传热传质特性（英文）

通过数值模拟和实验研究了抑制冰形成的两种方法：被动的表面功能化和主动的超声振动技术。由于表面凸起的宏观结构能在液滴扩展和收缩过程中改变其形状，因此液滴撞击具有立方体、单个和交叉三角脊以及悬空棱镜等宏观结构的超疏水表面时的接触时间可以有效降低。受到超声振动的基板会形成非线性的等效剪切应力分布，从而导致撞击液滴出现不同的动力学模式，并提高了除冰性能。研究揭示了表面宏观结构和超声振动技术对抗冰和除冰的有效性，为设计和优化抗冰/除冰系统提供了潜在方法。     

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。     

防热瓦式防护系统缝隙热控设计规律

建立了热防护系统(Thermal protection system,TPS)缝隙气动热分析的计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模型,将缝隙热流密度分布情况与平板热流进行了对比,结果表明由于缝隙的存在缝隙上端出现了热流峰值,并且缝隙迎风面热流密度大于背风面热流密度,缝隙热流密度主要集中在缝隙上端与缝隙宽度相当的区域内;采用分析获得的缝隙热流密度建立了缝隙热控分析的有限元传热模型,结果表明缝隙气动热和缝隙类空腔辐射会造成机体表面温度的升高,是造成缝隙热短路现象的原因;最后研究了缝隙几何形状(缝隙宽度、缝隙倒圆角以及缝隙台阶)对缝隙热控性能的影响,分析结果表明随缝隙宽度增加,机体表面最高温度升高。随缝隙倒圆角半径增加,机体表面最高温度降低。随缝隙台阶高度增加,台阶正差时机体表面最高温度升高,台阶逆差时机体表面最高温度降低。