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。     

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。     

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。     

基于欧拉方法的旋翼翼型结冰数值模拟及参数影响研究

从研究二维翼型结冰问题入手,基于水滴流场的概念,采用基于气液两相流的欧拉方法求解水滴流场,得到水滴收集特性,再结合热力学模型数值模拟旋翼翼型结冰过程.通过计算结果和冰风洞试验数据的比较,验证了该方法正确有效.同时研究了气象参数对结冰的影响.基于本文建立的方法,计算分析了飞行速度、平均水滴直径、水滴浓度、温度等不同参数对水滴收集效率、冰型、结冰量、结冰范围的影响,深入地探讨了翼型结冰机理和结冰形成条件,得出气象参数影响特征.     

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。     

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。     

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.     

过冷大水滴变形及阻力特性的温度影响实验研究

为探索温度对过冷大水滴(SLD)变形及阻力特性的影响规律,在常温和低温环境下开展了过冷大水滴动力学特性的实验研究。研究表明:过冷大水滴在快速加速气流中运动时,水滴变形特征和阻力特性随We 数的变化规律主要分为3个阶段:波动阶段、阶跃阶段和平滑阶段,并会受到低温环境的影响;同一We 数的水滴变形率、阻力系数会呈现出随着温度的降低而降低的趋势;温度对处于波动阶段的过冷水滴影响最大,随后在阶跃和平滑阶段,温度对水滴动力学行为的影响逐渐减小。     

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。