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。     

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.     

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.     

亚声速气流中五孔探针的校准及应用

0.3m×0.2m结冰风洞是一座回流式亚声速风洞,它是3m× 2m结冰风洞的1:10缩尺引导风洞,用于结冰风洞设计、调试和运行的关键技术研究.介绍了针对该风洞点流向测量而设计的小尺寸五孔探针排架在一座专用校准设备上进行标定的实验结果,同时还给出了该引导风洞点流向测量的结果.校准及测试结果表明:校准数据处理所采用的线性离散模型满足亚声速条件下小尺寸五孔探针的校准精度要求,五孔探针对点流向的测量精度可达士0.04°;结冰引导风洞主试验段及低速试验段各个截面点流向均在±0.5°以内,满足设计要求.     

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。     

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。     

结冰风洞过冷大水滴结冰条件模拟能力综述

结冰风洞是进行飞行器等结冰现象及防/除冰装置研究的重要地面模拟设备。随着过冷大水滴结冰现象对飞行性能及防除冰装置设计影响的重要性日益显现，以及过冷大水滴结冰条件适航标准的提出，亟需在结冰风洞中发展SLD结冰条件的模拟能力。本文分析了CFR14-25部附录O中所确定的SLD结冰条件及其对结冰风洞的相关模拟能力所提出的要求；介绍了目前国外几座具有典型代表意义的结冰风洞及气动中心的结冰风洞在发展SLD结冰条件模拟能力方面所取得的成果及所面临的问题。本文认为过冷大水滴的产生及其与云雾颗粒在风洞内的湍流混合、超大尺度的水滴在气流中的过冷以及宽滴谱范围的颗粒度分布测量等问题，是在发展SLD结冰条件模拟能力方面所面临的关键技术问题，提出了中国空气动力研究与发展中心在发展结冰风洞SLD模拟能力方面所采取的技术路线及关键技术解决方法。     

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。     

飞机结冰风洞试验模拟研究

论述了飞机结冰风洞试验的必要性;阐述了结冰风洞试验方法;给出了相似准则和模拟参数计算结果及分析;讨论了飞行高度和大尺度水滴模拟问题.     

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。     

基于大型结冰风洞的航空发动机结冰与防冰试验技术

航空发动机结冰和防冰过程复杂,数值计算无法对其进行准确模拟,因此试验研究是发动机研究过程中必不可少的手段。我国首座大型结冰风洞已具备开展飞机翼段结冰试验的能力,有必要进一步发展航空发动机结冰与防冰试验技术,以满足下一步我国航空发动机型号设计与适航取证的需求。依托3 m×2 m大型结冰风洞,发展了进气模拟技术和热气供气技术,提出了一套结冰风洞试验流程及方法,并针对某型航空发动机进气部件开展了结冰风洞验证试验。结果表明:试验可真实模拟发动机内外流耦合和压气机引气防冰状态,且提出的结冰风洞试验流程及方法合理可行,实现了试验动态过程监测及进气道内流场压力测量,为下一步我国航空发动机结冰防护系统设计与安全适航符合性验证提供了技术支撑。     

螺旋桨径向力风洞试验方法研究

螺旋桨飞机的研制设计过程中,必须了解和掌握动力系统对飞机气动特性的影响.螺旋桨动力系统对飞机的影响主要包括螺旋桨拉力和扭矩、气流斜吹螺旋桨产生的径向力以及滑流影响.螺旋桨径向力的风洞试验在国内尚属探索研究阶段,本文结合型号研制实际应用,对气流斜吹螺旋桨产生的径向力的机理和试验方法进行了研究探索,提出了一种以螺旋桨直接模拟法为基础的螺旋桨径向力风洞试验方法,并通过理论和试验方法完成了试验结果的相关性修正、全机对螺旋桨径向力的上洗等干扰修正,获得了可以满足工程研制使用的螺旋桨径向力数据,可为同类的螺旋桨飞机总体气动布局设计提供参考.     

气动除冰类飞机结冰风洞试验适航审定技术

民用飞机为获得型号合格证，应按照有关结冰适航规章条款进行结冰适航验证，如何解读适航条款要求并制定有效的符合性验证流程，是进行适航合格审定的关键。本文以Y12F气动除冰飞机结冰风洞试验的实际工程为例，以相关结冰适航文件为基础，结合国际最新的飞机结冰研究成果，研究并总结了目标试验状态设定、设备选择、试验状态的等效转换、模型研制、风洞试验等适航审定要求和技术。构建的结冰风洞试验适航审定方法，有效地指导完成了Y12F飞机除冰系统的适航验证工作，完成中国民用航空局（CAAC）和美国联邦航空管理局（FAA）同时审查，为获得CAAC和FAA型号合格证奠定良好基础。     

气动除冰飞机结冰风洞试验技术

民用飞机为获得型号合格证，应按照有关结冰适航规章条款进行结冰适航验证，结冰风洞试验是获取临界冰形的有效途径。本文以Y12F飞机结冰风洞试验实际工程过程为例，总结与分析了气动除冰飞机结冰风洞试验的模型设计、气动除冰套模拟、试验状态转换、试验流程、冰形测量等关键技术，并给出代表性试验结果。试验结果表明:在典型最大结冰条件下，除冰套工作正常，除冰套循环工作期间正常除冰；除冰套工作间歇，机翼前缘结冰表现为前缘形成较为光滑、厚度约为5~6mm的冰帽，上翼面产生1道高度为3~4mm的冰脊，下翼面形成3道2~4mm的冰脊。     

利用自然低温的旋转叶片结冰风洞试验系统设计

为开展风力机旋转叶片结冰风洞试验研究，设计了一种利用寒冷地区自然低温环境的具有可变截面试验段的结冰风洞试验系统。该系统在原有常规结冰风洞的基础上改进了试验段，设置了喷雾区与非喷雾区，风力机叶片实验台可设置在非喷雾区内，而旋转叶片在转至喷雾区时进行结冰测试。为测试该系统的各项参数以及研究系统的可行性，对该试验系统的3个主要环境变量:试验段速度分布、温度分布和液态水含量分布进行了测试和标定。在此基础上，进行了绕轴旋转圆柱和叶片段的结冰试验，对2个系统下的无因次结冰面积及结冰形状进行了对比分析。结果显示该系统各项参数稳定，利用2个系统得到的结冰形状相似度高，结冰面积一致性较好，表明该系统可用于进行旋转机械结冰风洞试验研究。     

民用飞机适航用临界冰形的确定及验证

对民用飞机结冰适航取证用临界冰形确定及验证进行研究。在民用飞机结冰适航取证过程中,首先需要确定临界冰形,为结冰后的性能和操稳评估提供冰形输入。首先确定临界冰形的判断标准,制定临界冰形确定的工作思路;然后采用SADRICE结冰数值软件开展结冰冰形参数的敏感性分析,获取临界结冰条件;最后通过冰风洞试验对参数敏感性结论进行验证。结果表明数值模拟参数敏感性分析结论与冰风洞试验结果一致,数值模拟所得临界冰形上冰角与冰风洞试验一致,下冰角存在一定差异,但不影响冰形临界性判断结论。参数敏感性分析所得临界结冰条件以及冰风洞试验所得临界冰形正确,可作为结冰适航取证临界结冰条件及临界冰形。临界冰形确定思路、方法可为其他民用飞机结冰适航取证提供参考。     

飞行器表面气动载荷的柔性智能蒙皮多参量测量

飞行器表面气动参数特征是飞行器结构设计和安全评估的重要依据,而风洞试验作为最有效的测试手段,通常面临破坏结构、测量物理量单一等问题。提出曲面共形的柔性智能蒙皮测量技术,集成了多种超薄柔性传感器阵列,通过剪纸–拼接的完全共形方式集成到飞行器结构表面,在不改变结构表面形貌的情况下同步实时测量壁面静态压力、脉动压力、温度、壁面剪应力等多种气动参数。在直流式风洞、射流平台和FL–9风洞中对NACA0012机翼和飞行器尾翼进行了变风速和变迎角试验,分析风洞试验中采集获得的多种气动参数,验证了该系统的可用性,为风洞试验中柔性智能蒙皮多参量同步测量气动特性研究提供参考。