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。     

基于电加热膜防冰设计方案的分流环表面换热特性试验研究

分流环表面换热特性对提升防冰设计效能至关重要。针对传统热气防冰方案中试验件与试验方案系统复杂、成本高昂等问题，本文提出了一种新型电加热膜防冰设计方案的分流环表面换热系数的试验方法。根据能量守恒定律，推导出分流环表面换热系数理论公式。试验研究了不同俯仰角、速度、液态水含量（Liqid water content,LWC）以及水滴中位体积直径（Median volumetric diameter, MVD）等对分流环表面换热特性的影响。试验结果表明：前缘区域换热系数随俯仰角先增大后降低，25°俯仰角是明显的转折点；相同喷雾条件下的前缘区域、下表面区域的平均换热系数约是干空气条件下的3倍；分流环前缘的换热系数明显大于上、下表面的换热系数。     

水雾粒径对冰附着力影响的实验研究

冰附着力是冰与基底表面之间的作用力，研究环境参数对冰附着力的影响对认识冰附着力机理、开发防除冰方法以及分析融冰和脱冰特性具有重要的意义。在基底不变的条件下，实验研究了静态结冰以及相同水含量、不同平均粒径（40、80、250μm）的水雾在不同温度（-25~0℃）下的动态结冰的冰附着力（剪切力）的变化情况。相对于静态结冰，动态结冰的冰附着力随温度的变化存在一个转折点，可称该转折点所对应的温度为临界温度。在临界温度以上，冰附着力随温度的降低而增加，成冰方式对冰附着力影响不大；而在临界温度以下，动态结冰所成冰的冰附着力相对于静态结冰明显要小，所成冰从明冰向混合冰或者霜冰转变。水雾平均粒径不同，临界温度随之变化，动态结冰的冰附着力随温度的变化趋势也随之变化。     

离轴全息成像测量三维气动旋流低温雾化场

为研究低油温工况下气动旋流雾化喷嘴近场雾化特性，建立了25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统，对1 kPa气压、0.03 MPa油压和–40～28 ℃油温工况下喷嘴下游30 mm内近场雾化过程进行了三维可视化测试。实验获取了包含非球形液滴的近喷嘴雾化场清晰图像，记录了液膜袋状破碎与液丝分解等典型雾化动态过程。通过颗粒识别与定位，获取了雾化场中尺寸30～1500 μm的液滴粒径及三维位置，统计得到雾化场索特平均直径（SMD）的三维分布信息。研究发现:在气压1 kPa、油压0.03 MPa工况下，液滴粒径主要分布在200 μm以内，其中30～40 μm粒径占比最高，均在15%以上；三维粒径分布表现为雾锥中央粒径较大，边缘区域粒径较小；油温降低对雾化效果恶化显著，使雾锥体积缩小、雾化液滴密度降低且均匀性下降；油温从28 ℃降至–20 ℃时，下游截面中心粒径从300 μm左右增大至450 μm以上，局部大于650 μm；–40 ℃时，喷嘴下游出现大型液柱与多枝状液膜、液丝结构，燃油分解破碎距离进一步延长。实验结果证实了高速离轴全息技术在低油温工况下喷嘴近场雾化特性三维可视化诊断中的可行性，获取的雾化场三维参数可为喷嘴结构设计优化及雾化模型研究提供数据参考。     

平尾防冰表面溢流冰生成规律试验研究

以带电加热防除冰系统的平尾后掠翼型为研究对象,在风速 90 m/s、温度 -4~-9 ℃、液态水含量（Liquid water content, LWC）0.45~1.5 g/m³以及水滴直径（Median volumetric diameter, MVD）20.1~36 μm条件下,在0.6 m结冰风洞中开展溢流冰生成规律研究,包含溢流冰起始位置、覆盖范围和类型。试验结果表明,翼型表面溢流冰形成的起始位置受加热功率及来流温度影响较为明显,加热功率或来流温度低至一定数值时溢流冰类型从溪状冰变为冰脊,随着加热功率或来流温度的增加,溢流冰起始位置向后移动。溢流冰的溢流范围受LWC及加热功率影响较为明显,LWC越大,收集水量越多,溢流的范围随之越广;加热功率的影响类似,增大加热功率融化的溢流水增多,从而溢流范围越广。溢流冰生成的类型对MVD的变化比较敏感,当MVD从20.1 μm增加为3 μm时,溢流冰即从典型的溪状冰变为冰脊。     

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。     

基于蒙特卡洛方法的冰晶撞击特性计算

航空发动机摄入冰晶易发生内部结冰、造成发动机推力损失,严重时引发航空事故。冰晶结冰数值模拟是研究冰晶结冰的重要手段,而撞击收集系数计算是冰晶结冰数值模拟的关键环节。基于NNWICE平台开展冰晶结冰前期的阻力系数、运动轨迹和撞击收集系数的数值模拟与计算研究,实现了基于蒙特卡洛方法的冰晶撞击收集系数的准确计算;在此基础上发展了拉格朗日框架下冰晶粒子运动、传热传质耦合数值计算方法;通过完成二维NACA0012翼型的相关算例,对比分析了不同阻力模型和冰晶相变对撞击收集系数的影响。结果表明阻力模型对冰晶撞击收集系数影响较小,冰晶相变过程会对冰晶运动轨迹及撞击收集系数产生显著影响,为进一步发展冰晶结冰数值模拟计算方法奠定了基础。     

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。     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上，形成多功能示踪粒子，从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry，PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）技术相结合，发展了一种流场压力与速度同步测量的技术，为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统，对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量，研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明，制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性，其压力响应时间区间为40~70μm，符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能，其中2μm粒子松弛时间为7.5μs，有较好的跟随性能。     

纳米硫化物半导体颜料的制备及其红外发射率研究

为了制备出在8～14μm红外波段具有较低红外发射率的颜料粉体，本文以醋酸镉Cd(AC)2．2H2O，醋酸锌Zn(AC)2．2H2O，硫化钠Na2S．2H2O为原料，采用化学均匀沉淀法在水浴中制备了平均粒径40nm左右的CdZnS固溶体纳米粒子。分析了实验反应过程中反应时间、反应温度和搅拌速度对CdZnS纳米粒子半径尺寸的影响。通过XRD，BET(ASAT2010)比表面仪和TEM表征，研究了粉体的粒度、结构和表面形貌等特征；通过IR-1红外发射率测量仪器测试了粉体在8～14μm波段的红外发射率。作者着重讨论了粉体粒径和8～14μm波段红外发射率之间的关系。并对此给出了一定的解释。     

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。     

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。     

新型涡轮叶片冷却技术换热特性实验研究

通过实验研究了一种新型涡轮叶片冷却技术（Thermal driving in high centrifugal field，TDHCF）的换热特性。该技术主要利用高彻体力场下微小封闭循环通道内流体的热驱动运动来达到高效换热的目的。实验中分别采用了液态H2O和氟利昂R12为热驱动介质，分析了离心力场下热驱动运动的流动规律和换热特性，讨论了TDHCF技术的总平均换热效果KH随旋转速度和热流密度的变化规律。研究发现：离心力场下，采用不同的流体作为热驱动介质所形成的热驱动运动规律相同，温度分布也基本类似，均是随着转速和热流密度的增加，热驱动运动强度提高，平均换热系数随之变大。研究结果表明：旋转速度、热流密度以及热驱动介质的热物性均影响了TDHCF所最终能达到的换热效果，其中旋转速度的影响尤为显著；在热流密度或转速不变的情况下，以液态氟利昂R12为热驱动介质，TDHCF可以达到更高的强化换热效果。与常规的气冷技术相比，采用TDHCF可以有效地提高换热效果。     

管式电除尘器中粉法颗粒运动轨迹的数值模拟

对管式电除尘器中的气固两相流动流场进行数值模拟，实质上是研究粉尘颗粒在有电场力作用下的运动轨迹。计算中，将气相作为连续介质，采用Ｋ－ε双方程湍流模型，并用ＳＩＭＰＬＥ算法对流场进行数值模拟；将固相作为离散体系，采用颗粒轨迹法计算其运动轨迹。计算时分别选取４种电压、４种气流速度和４种颗粒直径为计算工况，计算结果显示出颗粒运动特性和除尘效率，并指出其与电压、气流速度和颗粒粒径等３个主要因素相关。计算结     

非定常风沙流中风速脉动对沙粒相瞬时浓度影响的实验研究

在大气边界层风洞内采用高速CMOS相机记录了时均风速线性上升的来流条件下运动沙粒的图像.根据二进制图像标记像素的连通性,从数字图像中提取相机拍摄区域内沙粒的数量N,由此计算得到风沙流的瞬时含沙量C.获取图像的同时,使用恒温式热线风速仪MiniCTA配合55R49热膜探头测量观测域上方主流位置和跃移层顶部附近的风速变化.实验结果表明,风沙流中的瞬时含沙量总是非稳定的,其变化频率至少在100Hz以上.风沙之间的相互作用存在一定的滞后效应,大气湍流脉动对含沙量的作用与沙粒粒径相关,粒径越小,风速脉动作用越大.当粒径≤160μm时,风速的微小变化即可引起含沙量的明显波动,二者高度相关.当粒径较大的时候,如300~500μm,只有较长时间较大幅度的风速脉动才能使含沙量有较大幅度的变化,研究时均风速变化对含沙量的影响更具有意义.     

旋翼翼型俯仰沉浮运动非定常气动特性实验研究

在南航非定常风洞内研制、开发了一套两自由度电控液压动态实验台,利用该设备,完成了翼型俯仰运动、沉浮运动以及俯仰沉浮耦合运动测压实验,并积分计算了翼型动态运动过程中的升力系数.翼型俯仰运动结果表明,翼型上的压力分布和升力系数与翼型振动频率和振动幅值有很大关系,随振动频率和振动幅值的增加,升力系数迟滞包线相应增加,而这一过程与翼型上前缘涡的脱落过程有关.翼型沉浮运动研究了翼型在不同迎角、不同风速下做沉浮运动时的压力分布和升力系数,结果表明在20m/s风速下,模型做沉浮运动时只对翼型前缘的压力分布产生影响,而在10m/s风速下,沉浮运动不仅使前缘压力分布产生变化,而且影响翼型下游的压力分布,这与翼型前缘形成的分离气泡脱落有关.另外给出了翼型做俯仰沉浮耦合运动时的压力分布初步结果.     

基于流固热耦合低温风洞扩散段热力学特性分析

低温风洞降温过程中，温度变化范围大，容易在结构内部引发较大热应力，影响设备运行安全。以中国空气动力研究与发展中心0.3m跨声速低温风洞扩散段为研究对象，基于流固热耦合方法，采用多物理场数据交换接口MpCCI，联合结构有限元软件Abaqus和计算流体动力学软件Fluent，建立扩散段的流固热耦合仿真模型，分析低温内流场的换热特性，计算低温风洞结构的温度及应力分布。通过低温风洞试验发现，流固热耦合仿真结果接近于实际的测量结果，能够准确反映低温风洞结构的热力学特性，可为低温风洞的结构安全性能优化提供可靠的仿真分析方法。     

隔热结构对塞块式量热计热流测量的影响

塞块式量热计是热结构试验中常用的热流传感器,其侧向传热是测量误差的重要来源。在对塞块式量热计传热分析的基础上,设计了一种改进型隔热结构,并提出了一种基于半无限大体假定的热损失修正方法。通过建立塞块式量热计的有限元数值模型,分析了量热塞与隔热材料的接触热阻对数据处理结果的影响,在接触热阻较大时(R=1×10-3 m2·K/W),未修正时最大测量误差不超过-9%,而修正后最大误差超过了20%;在接触热阻较小时(R=1×10-4 m2·K/W),未修正时的最大测量误差约-20%,修正后则不大于1.5%。可见该修正方法只适用于接触热阻较小的情况。。数值模拟结果还表明,在隔热层表面附近增加金属尖楔的改进型结构,隔热材料最高温度从超过2000℃降低到300℃以下,有利于保护隔热材料不被烧损,间楔与传感器之间的换热面积只有总侧向面积的约2.9%,两者之间的换热几乎不影响数据处理方法的选择。     

CO2中激波脱体距离的弹道靶实验测量和数值计算

在中国空气动力研究与发展中心超高速所超高速弹道靶进行了CO₂条件下圆球和火星着陆巡视器模型的激波脱体距离测量实验，为数值模拟提供验证依据。实验模型为φ10mm圆球和头部半径12.5mm的着陆巡视器模型。圆球模型的飞行速度为2.122~4.220km/s，靶室压力为2.42~12.30kPa；着陆巡视器模型的飞行速度为2.802km/s，对应靶室压力为1.836kPa。实验数据与采用双温度非平衡模型计算的结果进行了对比。得到以下结论:采用双温度非平衡模型能够较准确地再现模型头部激波脱体距离；根据计算结果推测绕模型流动主要为非平衡流动；需补充更高模型飞行速度（>5km/s）的实验数据，验证CO₂中更高流速状态下双温度非平衡模型的适用性与准确性，并进一步研究多温度模型和不同化学反应动力模型对CO₂下非平衡流数值计算准确性的影响。     

滑动放电等离子体控制细长体头部背风区非对称涡实验研究

飞行器在大迎角飞行状态下,细长体头部背风区流场演变复杂,会出现非对称旋涡,产生随机侧向力,对飞行器的机动性和敏捷性影响很大。针对细长体大迎角非对称涡控制问题,采用顺流向布局的滑动放电等离子体激励器,结合测压和粒子图像测速（PIV）等手段,对细长体模型开展了风洞实验研究。研究结果表明:激励电压10 kV是流动控制开始生效的阈值电压;当来流速度10 m/s（雷诺数0.8×105）、迎角45°时（激励电压16 kV,归一化脉冲频率1.96）,获得最佳流动控制效果,侧向力系数最高可降低83.48%;随着来流速度继续增大,流动控制效果逐渐减弱,预测在来流速度26 m/s时将完全失效。