基于合成热射流的机翼除冰实验研究

在人工结冰条件下,利用合成双射流激励器与电热贴片形成合成热射流激励器,开展合成热射流机翼除冰试验,验证合成热射流机翼除冰方案的可行性,同时分别研究除冰的环境温度和射流出口通道开缝角度对机翼除冰效果的影响。研究表明:合成热射流方案与纯加热方案相比,除冰时间能够减少25.0%~36.4%。合成双射流能够促进热能的扩散,加速机翼表面开缝附近冰的融化,使得合成热射流有较好的除冰效果,且出口通道开缝角度与表面积冰越垂直,加速除冰效果越明显。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

霜状结冰及其对机翼气动特性影响的数值模拟

在霜状冰结冰过程及结冰对机翼气动特性影响的数值模拟中,基于壁面函数法引入了粗糙度影响,结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,文中以NACA0012为对象进行了霜状冰结冰过程的数值模拟,并把计算得到的冰形与试验数据及国外的结冰预测软件的结果进行了对比.本文同时考察了结冰对机翼气动特性的影响,结果表明结冰后最大升力系数降低了26%,失速攻角降低了3°,并且阻力系数也有了增加.     

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。     

飞机结冰中水滴撞击特性欧拉法的网格影响分析（英文）

过冷水滴撞击特性计算研究是飞机结冰预测与防除冰系统性能分析的基础，欧拉法是过冷水滴运动及撞击特性计算的常用方法之一，分析欧拉法在计算复杂表面水滴运动撞击时的准确性具有重要意义。以NACA0012翼型、冰风洞风道、S形进气道及三段翼为研究对象，利用欧拉法采用不同网格计算获得了水滴运动及局部水收集系数，结果表明：当水滴运动没有受到上游部件的导流或者遮挡时，欧拉法计算结果具有网格无关性；当水滴运动受到上游部件影响发生轨迹偏转时，欧拉法计算结果具有网格相关性，不同网格计算得到的液态水含量及局部水收集系数不一致，需要进一步考虑水滴运动受到上游效应影响时网格对欧拉法计算结果的影响。     

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。     

3m×2m结冰风洞总压探针和皮托管研制

针对国内首座大型结冰风洞的调试和运行，设计了具有防除冰功能的总压探针和皮托管。采用了新的制造工艺在内腔狭小的管内盘绕布置加热器，并通过合理分配加热器密度，解决了新工艺带来的加热器易受损和局部过热问题；使用电源可调压技术，在不同试验状态下调节加热功率，避免整体过热或防除冰能力不足。静态测试、校准和风洞试验数据表明，研制的总压探针和皮托管可有效用于结冰风洞特殊环境。     

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。     

结冰风洞喷嘴雾化特性研究

结冰风洞试验段中的云雾通常由安装在稳定段的喷雾系统产生。喷雾系统雾化喷嘴的性能直接关系到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。在喷嘴试验台上分别使用PDI(相位多普勒干涉仪)及微流量计对小粒径雾化喷嘴的平均水滴直径(MVD)及水流量进行测量,得到了结冰风洞空气辅助雾化喷嘴的流量-粒径性能包线,同时,对喷嘴的供水、供气压力及其配比和水路节流管尺寸对喷嘴雾化性能的影响进行了研究。研究结果表明:喷嘴水、气压力差的大小和范围决定了喷嘴的粒径及调节比的范围。压差越大,粒径和水流量越大,压力差范围越大,调节比越大。减小喷嘴水路节流管的直径,可以增加喷嘴工作的水、气压力差范围,扩展喷嘴的流量-粒径包络线。最终的测试结果表明,结冰风洞所使用喷嘴 MVD 范围为7~70μm,水流量调节比为11.5,其参数调节范围优于国外同类风洞所使用雾化喷嘴。     

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。     

结冰风洞试验段云雾粒径测量与控制实验研究

准确测量与控制云雾粒径对结冰风洞开展试验具有重要意义。为了研究3m×2m结冰风洞的云雾粒径特性及其影响因素，应用相位多普勒飞行探头系统（PDI-FPDR）开展试验段云雾平均体积直径（MVD）的测量与控制实验，获取了不同状态下的MVD变化规律，通过综合对比分析，探索了压力、风速、温度等因素对云雾粒径的影响。结果表明:云雾粒径对喷雾系统水压、气压的变化十分敏感，且MVD与喷雾气压成反比；气流风速和温度对风洞中云雾液滴的蒸发和碰撞特性影响不明显，MVD受其影响不大，不同状态的最大相对偏差在±10%的误差范围内；MVD受风洞环境负压作用而显著减小。     

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。     

考虑动力学效应的结冰试验相似准则修正方法

结冰相似准则是将飞行条件转换为试验参数的重要理论方法，然而现有的相似准则多基于小水滴结冰过程而提出，其在应用于大水滴的相似转换时会出现较大偏差。针对这一现状，开展考虑水滴动力学特性的结冰相似准则研究。首先，基于ONERA相似准则，融入关于水滴变形破碎和飞溅动力学特性的相似参数，提出了修正的结冰相似准则；其次，基于这两种相似准则，采用数值模拟的方法计算获得了修正前后的收集系数，并对比验证了修正方法的有效性；最后，分析两种修正方法得到的试验参数随尺寸缩比的变化情况，给出了所修正的相似准则在结冰试验中的应用建议。结果表明，本文修正方法提高了局部收集系数的吻合度，降低了收集系数平均误差和撞击极限误差，且应用该准则得到的缩比试验参数在结冰风洞的设计范围之内。该修正方法可以为过冷大水滴结冰风洞试验相似变换提供指导。     

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。