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。     

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.     

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...     

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.     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

飞机结冰传感器安装位置确定方法

结冰传感器的安装直接决定了冰的探测效果，在飞机设计阶段往往要耗费巨大的工作量来确定合适结冰传感器安装的位置。本文提出了一种高效确定结冰传感器安装位置的方法，其基本思路是采用数值计算的手段，获得不安装结冰传感器飞机流场的水滴容积分数分布；再根据水滴收集率的定义，得到传感器拟安装区域不同位置的水滴收集率，并与机翼表面的水滴收集率对比；从保证传感器可以起到预警作用的角度出发，进而给出传感器的安装位置。采用该方法对某型民航客机进行了分析，给出了该型飞机适合安装传感器的区域。在此基础上，将传感器加载到对应位置进行数值仿真验证。仿真结果显示:传感器探头处的水滴收集率与不加载传感器时该位置的水滴收集率基本一致，均大于同等条件机翼上的最大水滴收集率，符合飞机的结冰防护需求。本文方法可普遍应用于运输类飞机设计，有效提高结冰防护系统设计的效率。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

飞机结冰神经网识别

概述飞机结冰神经网构建思路、参量识别方法、新近发展的传感器综合神经网系统及识别系统仿真结果。     

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。     

直升机防除冰系统人工结冰试验

为掌握结冰条件下直升机旋翼、发动机、进气道防除冰系统的性能规律，在不同液态水含量和大气温度下，开展了地面和悬停两种状态直升机人工结冰试验，研究旋翼、发动机、进气道防除冰系统在结冰环境中的相互影响。研究发现:受旋翼旋转影响，右发进气道较左发更容易结冰；发动机低功率状态下，防冰性能较差，状态升高后，防冰性能改善；旋翼结冰导致发动机状态升高，使进气道表面温度较无结冰时仍有上升。同时，旋翼上周期性的"结冰-脱除"，导致发动机参数振荡，振荡周期受环境条件影响不大，而振幅与液态水含量近似呈线性关系。     

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。