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。     

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。     

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。     

一种航空发动机防冰传感器测温特性试验研究

为了研究热气防冰传感器的测温特性,对一种航空发动机热气防冰传感器开展了冰风洞试验研究,获得了传感器测温特性随来流总温、热气流量、热气温度及水滴参数的变化结果。试验结果表明,热气参数对传感器的测温特性影响较大,随着热气温度和流量的升高,传感器测量偏差度增大;传感器使用环境受航空发动机工作状态的影响,在一定条件内,传感器测量偏差度在合理范围内波动;热气防冰传感器在过冷水滴结冰环境下存在结冰现象,结冰会影响传感器测温腔入口气流,导致传感器测温偏差增大,降低传感器测温性能;当结冰量过多时,传感器失真失效。     

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。     

叶片数对垂直轴风力机结冰分布影响风洞试验

风力机叶片表面结冰会降低其气动性能和发电效率。本文研究了旋转状态下叶片数对垂直轴风力机叶片表面结冰分布的影响;搭建了利用自然低温的结冰风洞试验系统;测试了3种叶片数（1、2、4）、3种尖速比（0.2、0.6、1.0）条件下的叶片结冰分布情况。结果表明:在不同尖速比下,叶片数对垂直轴风力机叶片表面结冰分布规律影响显著,叶片内外表面的结冰总体呈现非对称分布特点;随着叶片数增加,叶片表面冰层厚度呈先增后减的变化趋势;在叶片前缘弦长10%区域内,冰层厚度增幅显著大于叶片其他部位;随尖速比增大,叶片前缘冰层厚度显著大于叶片其他部位,叶片前缘内外表面的冰层厚度差值呈递增的变化趋势。研究结果可为风力机叶片防/除冰技术提供参考。     

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。     

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。     

基于分形理论的翼面复杂冰形表面粗糙度分析（英文）

模型表面的结冰外形是结冰风洞试验关注的核心信息，现有研究一般采用冰角高度、冰角角度、驻点冰厚等几何参数对二维冰形进行表征，忽略了冰形表面粗糙程度这一重要特征。针对此问题，提出将分形理论应用于结冰冰形的粗糙度表征，建立了基于分形理论的结冰表面粗糙度表征方法。首先在大型结冰风洞开展翼型结冰试验，采用激光线扫描在线测量系统对结冰生长过程中不同时刻翼面结冰的表面轮廓进行测量，获得翼面结冰的三维数值外形；然后结合分形理论对冰形进行分析，提取翼面不同位置冰的截面轮廓曲线，计算截面曲线的分形维数和粗糙度表征参数，以此归纳出分形维数的线性回归公式，并从截面曲线中提取数据点进行分形插值模拟实测冰形。研究结果表明，翼面结冰冰形粗糙表面具有分形特征；分形维数与粗糙度表征参数呈正相关，可作为冰形表面粗糙度的评定参数；分形插值模拟冰形曲线，逼近程度优异；冰形粗糙度的分形表达法为科学量化三维冰形特征提供了新思路。     

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。     

Numerical Study on Ridge Ice Accretion and Its Effect Under Thermal Ice Protection

Under the condition of thermal anti-icing,the liquid water on the leading edge of the airfoil that would flow to the downstream non-protective zone will produce ridge ice,thus endangering flight safety.Based on the existing three-dimensional(3 D)icing model which considers the water film flow on the ice layer,an icing model with thermal boundary condition is introduced.With the boundary conditions of none anti-icing and thermal anti-icing,glaze ice accretion and ridge ice accretion are simulated on a simplified airfoil of unmanned aerial vehicle(UAV),and then the lift coefficient and drag coefficient are calculated and compared with the smooth airfoil under the same conditions.The results show that the lift-drag ratio obviously decreases after glaze ice occurred on the leading edge under the condition of none anti-icing;and that after setting the condition of anti-icing heat flux in the impingement area,the glaze ice on the leading edge becomes thinner and the ridge ice occurs in the non-protective zone,so the airfoil with this icing characteristic gets a lower lift-drag ratio.     

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。     

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。