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。     

叶片数对垂直轴风力机结冰分布影响风洞试验

风力机叶片表面结冰会降低其气动性能和发电效率。本文研究了旋转状态下叶片数对垂直轴风力机叶片表面结冰分布的影响;搭建了利用自然低温的结冰风洞试验系统;测试了3种叶片数（1、2、4）、3种尖速比（0.2、0.6、1.0）条件下的叶片结冰分布情况。结果表明:在不同尖速比下,叶片数对垂直轴风力机叶片表面结冰分布规律影响显著,叶片内外表面的结冰总体呈现非对称分布特点;随着叶片数增加,叶片表面冰层厚度呈先增后减的变化趋势;在叶片前缘弦长10%区域内,冰层厚度增幅显著大于叶片其他部位;随尖速比增大,叶片前缘冰层厚度显著大于叶片其他部位,叶片前缘内外表面的冰层厚度差值呈递增的变化趋势。研究结果可为风力机叶片防/除冰技术提供参考。     

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。     

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。     

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.     

3m×2m结冰风洞云雾参数校测方法

为综合检验结冰风洞的性能，并为飞机适航取证中结冰合格审定工作提供测试依据，依照SAE ARP5905的相关要求，根据冰积聚原理、相位多普勒干涉原理和热线原理，采用格栅、PDI-FPDR、冰刀、LWC-200在3m×2m结冰风洞主试验段完成了云雾参数校测工作，总结了测试方法与流程以提高校测效率。代表性云雾参数校测结果表明，云雾场均匀区能够覆盖试验段横截面积的60%以上，云雾容积平均直径（MVD）稳定性优于±10%，液态水含量（LWC）稳定性优于±20%，云雾参数满足ARP 5905相关指标要求，能够为3m×2m结冰风洞的标检提供数据支撑。     

风力机叶片表面压力的计算与外场测试分析

研究在外场工况下,对风力机叶片表面压力的测试方法,并将测试结果与CFD计算结果进行比较.为了获取叶片在外场非稳态工况下的压力信息,沿叶片展向选取7个典型段面布置带式压力传感器.在数值计算中,通过数码扫描得到试验翼型的几何形状并建立计算模型,用非压缩的N-S方程和SSTk-ω湍流模型耦合,分别对7个翼型的气动性能进行计算.通过对试验和计算结果的对比发现,因为三维旋转效应的存在,基于动量-叶素理论的二维翼型计算常常低估了实际风轮动力的产生,旋转叶轮表面压力分布和二维翼型计算结果明显不同.     

叶片翼型结冰形态及其气动特性

针对风力机叶片翼型形状对结冰过程的影响及其导致的气动特性变化问题,采用欧拉法及热传质原理构建叶片结冰过程的数学模型并进行数值模拟分析。以NH02系列翼型族为例,建立翼型曲率特征模型,研究叶片关键参数如最大厚度对结冰量的影响机制,预测了某翼型在不同工况下的冰形及位置,探究了干净与结冰翼型的升、阻力特性变化规律。结果表明,结冰量与叶片的相对厚度及最大相对厚度所在位置呈正相关性;结冰导致升力系数变化范围为5%～20%,阻力系数为干净翼型的1.4～2.45倍;结冰致使翼型失速迎角变小,翼型提前进入失速状态。     

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。     

大型结冰风洞热流场符合性验证

大型结冰风洞热流场符合性是大型结冰风洞适航应用的前提条件。为验证中国空气动力研究与发展中心3 m×2 m结冰风洞热流场符合性，建立了结冰风洞热流场符合性验证方法；针对主试验段构型，开展了热流场符合性验证试验，考察了试验段气流总温、试验段气流速度和喷嘴干空气射流对热流场空间均匀性和时间稳定性的影响，获得了试验段气流总温修正关系，形成了3 m×2 m结冰风洞主试验段热流场控制包线。结果表明:基于目前制冷系统性能，降低气流总温和提高气流速度会减弱试验段热流场空间均匀性，但对气流总温时间稳定性并无显著影响；喷嘴干空气射流会提高试验段气流总温，但对试验段模型区内热流场品质并无显著影响；在主要试验条件下，3 m×2 m结冰风洞热流场品质基本满足SAE ARP 5905-2003要求。     

直升机旋翼模型结冰风洞试验技术

为满足我国直升机旋翼结冰风洞试验需求，中国空气动力研究与发展中心在大型多功能结冰风洞研制了直升机旋翼模型结冰试验系统，发展了旋翼模型结冰风洞试验方法和数据采集与处理方法，规范了结冰试验的流程，能够安全可靠地开展旋翼模型结冰试验研究。通过开展国内首次直升机旋翼模型结冰风洞试验，研究了典型工况下旋翼模型的结冰特性，获得了结冰过程中旋翼模型气动载荷和振动载荷变化特性。试验结果表明:随着结冰时间增加，旋翼拉力急剧下降，功率急剧增大；伴随着桨叶表面“冰脱落—生成—再脱落—再生成”过程，旋翼性能出现较大波动；旋翼桨叶表面出现冰脱落之前，试验数据重复性良好可靠。     

3 m×2 m结冰风洞热流场品质提高及评估

结冰风洞热流场品质符合性是大型结冰风洞适航应用的基础。为明晰制冷系统性能升级优化对3 m×2 m结冰风洞热流场品质的影响,开展了热流场符合性验证试验,评估了热交换器出口和试验段两位置处热流场品质,给出了气流总温修正关系,形成了热流场控制包线。结果表明:热交换器出口和试验段模型区内热流场品质在主要试验工况下均优于SAE ARP5905指标;与升级优化前（2019年）试验结果对比,优化后试验段模型区内热流场空间均匀性显著增强,尤其在高风速、低总温工况下,模型区内均未出现超标的非均匀峰值点。结冰风洞制冷系统的升级优化显著扩展了3 m×2 m结冰风洞主试验段热流场控制包线,增强了结冰风洞试验模拟能力。     

基于云雾参数误差的结冰外形修正方法

结冰风洞云雾参数控制和测量2方面的技术瓶颈,导致结冰试验中的云雾条件存在较大误差,这会降低实验结果的精度。针对这一问题,从空气动力学的角度分析了冰形修正的关键要素,建立了采用人工神经网络技术对云雾参数与冰形典型几何特征量之间复杂非线性关系进行近似模拟的方法,并基于无限插值方法建立了一种冰形修正方法。以 NACA0012翼型为例,对液态水含量和水滴粒径这2个云雾参数所带来的冰形误差进行了修正,修正后的冰形与目标冰形的吻合度有明显的改进,验证结果表明该方法可以应用于结冰风洞试验,能为实验结果的修正提供依据。