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。     

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。     

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。     

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.     

结冰风洞过冷大水滴粒径测量初步研究

过冷大水滴粒径测量方法是结冰风洞过冷大水滴云雾模拟能力的关键组成部分。为评估双通道机载式相位多普勒干涉仪（PDI-FPDR）的过冷大水滴粒径测量能力，利用标准液滴流发生器产生特定尺寸的大粒径液滴流，评估PDI-FPDR的液滴粒径测量不确定度；针对真实大粒径喷雾，同时采用Malvern粒度分析仪和PDI-FPDR测量喷雾粒径特征参数，对比评估PDI-FPDR的大粒径喷雾测量能力。结果表明:PDI-FPDR小粒径通道无法准确测量大尺寸液滴，测量结果显著小于真实液滴粒径（测量粒径189.0 μm的液滴，相对误差为-72.8%）；大粒径通道可以较为准确地测量大尺寸液滴，但精度较差（测量粒径240.5 μm的液滴，相对误差为-5.1%，最大偏差50.2 μm）；对于典型大粒径喷雾，PDI-FPDR小粒径通道测量中值体积直径（MVD）大于75 μm的喷雾适用性较差，大粒径通道的MVD测量值与Malvern粒度分析仪相比偏大。     

旋流式气泡雾化喷嘴喷雾特性实验研究

与常规压力雾化、气动雾化相比，气泡雾化具有高效、经济和环保等优点。针对一种可变喷头旋流式气泡雾化喷嘴进行了实验研究，探讨了工作参数、喷嘴孔型、切割丝网目数（孔径）等因素对喷嘴流量、喷雾特性的影响规律。研究结果表明:不同孔型喷嘴的流量特性趋势基本一致；相同工作压力下，气液比不同会导致喷嘴流量的变化；安装切割丝网基本不影响喷嘴的流量特性趋势，但在相同工况下会造成喷嘴流量减小3%～7%，且丝网孔径越小，减小幅度越大；喷雾液滴粒径分布呈单峰形式，且随着工作压力或气液比的增大，喷雾液滴的中位粒径会有不同程度的减小；相同喷雾能耗下，异形（方形、椭圆形）喷孔更有助于提高喷雾性能；丝网有利于提高喷嘴雾化性能，但需综合考虑喷嘴孔型、工作压力等因素选择丝网孔径；此外，安装切割丝网会在一定程度上降低喷雾主流轴向速度。     

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。     

基于云雾参数误差的结冰外形修正方法

结冰风洞云雾参数控制和测量2方面的技术瓶颈,导致结冰试验中的云雾条件存在较大误差,这会降低实验结果的精度。针对这一问题,从空气动力学的角度分析了冰形修正的关键要素,建立了采用人工神经网络技术对云雾参数与冰形典型几何特征量之间复杂非线性关系进行近似模拟的方法,并基于无限插值方法建立了一种冰形修正方法。以 NACA0012翼型为例,对液态水含量和水滴粒径这2个云雾参数所带来的冰形误差进行了修正,修正后的冰形与目标冰形的吻合度有明显的改进,验证结果表明该方法可以应用于结冰风洞试验,能为实验结果的修正提供依据。     

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。     

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.     

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。     

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。