小型冰风洞液滴平均容积直径测量研究

水滴平均容积直径(MVD)是冰风洞最基础和最重要的参数之一,MVD测量的准确程度将影响飞行器结冰特性研究。针对小型冰风洞液滴参数测量,提出使用激光粒度仪对冰风洞液滴颗粒直径进行测量,同时采用基于旋转多圆柱法进行MVD测量标定。根据旋转多圆柱结冰特性,对二维旋转圆柱霜状冰结冰过程进行编程计算,结合试探逼近思想编制了旋转多圆柱水滴参数分析软件。用试验实测数据与旋转多圆柱方法标定结果进行对比分析,标定结果与实测结果吻合较好,进而可实现对平均容积直径的快速测量,为冰风洞水滴参数测量校验提供技术保障。     

结冰风洞云雾参数不同测量手段的试验对比

为研究YBF-04结冰风洞试验段内云雾均匀性和液态水含量分布情况,采用冰生长测量法,搭建结冰格栅和多圆柱试验件,在相同的来流条件和喷雾条件下开展结冰试验。其中,多圆柱试验装置可分别在旋转和静止两种状态下进行试验。格栅试验装置表面结冰情况,可直观反映试验段内云雾分布区域及均匀性情况;通过测量试验件表面结冰厚度,可计算试验段内局部液态水含量分布。试验结果表明,YBF-04结冰风洞内云雾分布范围主要集中在试验段截面75%区域内,但由于试验过程中喷雾水滴的沉降和喷嘴堵塞,云雾均匀性有待提高;格栅结冰后风洞阻塞比增加,风洞试验段内参数发生明显变化,而多圆柱在试验过程中对风洞流场参数影响较小,液态水含量测量准确度相对更高。     

移动式冰风洞试验方法研究和应用

为了探索掌握移动式冰风洞校测、结冰和防/除冰试验的一般方法,使其可用于飞机进气系统地面防冰试验,开展了对移动式冰风洞模拟云雾参数的校测。通过金属圆柱管结冰对比确定水滴过冷距离,采用格栅测量云雾均匀性,利用机载雾滴组合探测器测量水滴直径与液态水含量,并对发动机短舱唇口模型、NACA23012翼型模型进行了结冰和防/除冰研究试验。研究表明虽然户外模拟结冰条件受环境因素影响较大,但移动式冰风洞喷雾性能良好,试验能够反映在各因素影响下的一般结冰规律,可以满足飞机进气系统防/除冰试验要求。     

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。     

冰风洞试验中水滴的传热传质计算研究

进行冰风洞试验时,出口过冷水滴的参数往往使用风洞来流空气参数进行计算,忽略了真实情况下水滴与空气的传热传质过程,致使试验数据产生偏差,并影响测试结果的可靠性.通过对冰风洞试验中水滴的运动过程进行研究,考察了水滴与空气主流间的传热与传质现象,建立了水滴运动过程中参数变化的控制方程.基于该方程编制了冰风洞水滴粒径温度变化分析软件,计算分析了过冷水滴在行进过程中相关参数的变化曲线,比较了不同初始条件及各参数对水滴温度、直径和速度的影响.结果表明:不同环境下水滴在运动过程中温度、尺寸和速度变化受来流温度、速度、相对湿度和水滴初始温度的影响,呈现出不同的特点,不能忽略水滴状态参数在冰风洞内的变化.     

结冰云雾参数对冰与固壁间剪切强度影响的初步研究

基于结冰风洞实验段,建立了冰与固壁间黏附界面剪切强度测量实验装置,获得了合理的剪切强度范围。在0.3 m×0.2 m结冰风洞实验段内开展了冰与固壁间黏附界面剪切强度的测量实验。掌握了结冰环境温度、平均水滴直径等结冰云雾参数对冰与固壁间黏附剪切强度的影响规律。研究表明:结冰环境温度为-15~-10 ℃间出现了剪切强度极大值。来流速度越大,水滴的惯性力越大,水滴间的间隙越容易被填充,冰与固壁间剪切强度也就越大。平均水滴直径(MVD)为35 μm附近出现了剪切强度极小值,水滴直径越小,水滴之间的间隙就越小,结冰就越致密。水滴直径越大,水滴越容易发生平铺,水滴之间的间隙就容易被填充,反而造成剪切强度增大。      

旋转帽罩电加热防冰瞬态过程研究

基于欧拉两相流理论,对旋转帽罩水滴撞击特性进行了数值模拟,提出了旋转部件表面对流换热计算方法,并基于改进Messinger结冰模型开发了旋转帽罩电热防冰计算程序,对旋转帽罩瞬态防冰过程进行了数值模拟研究.结果表明:旋转运动对旋转帽罩表面对流换热起到增强作用,且在供给相同加热热流密度时转速越大,防冰表面温度越低;防冰系统启动阶段,旋转帽罩表面会发生结冰和冰脱落现象,考虑结冰过程后系统的响应时间缩短;当电加热功率相同时,周期电加热防冰方式更为节能;当电加热能耗相同时,周期电加热方式系统响应更快.     

绕轴旋转圆柱结冰特性结冰风洞试验

绕轴旋转物体结冰是一种常见的结冰现象,如风力机叶片和直升机旋翼结冰等。针对该旋转模型的结冰问题,以绕轴旋转圆柱为对象,进行了结冰风洞试验研究。试验在自行设计的利用自然低温的结冰风洞系统中完成。在对结冰风洞试验能力进行验证后,对具有不同直径、转速和结冰时间的旋转圆柱结冰进行了试验,建立了旋转圆柱的结冰分析与评价方法,分析了转速、圆柱直径、结冰时间等对圆柱结冰形状主要特征量的影响规律,包括结冰面积、无因次结冰面积、驻点厚度、无因次驻点厚度、驻点偏转角、无因次结冰上下极限等,获得了旋转圆柱的结冰特性。在此基础上,通过回归正交试验设计,构建了旋转圆柱结冰的预测模型,并进行了验证与分析。研究结果可为绕轴旋转物体结冰特性研究提供参考和借鉴。     

双梭型SLD探测器结冰特性研究

探头式结冰探测器为主流民航或运输类飞机所采用,其用于探测常规水滴结冰条件的技术手段已相当成熟,但探测器对于过冷大水滴(SLD)结冰条件探测和识别能力尚需探索和研究,针对具有双梭型气动外形的结冰探测器,研究其在SLD和常规水滴条件下探头表面的结冰特性,结合过冷大水滴在撞击区域、运动轨迹方面的特性分析了双梭探头构型的设计原理,采用三维结冰数值模拟软件FENSAP-ICE进行空气流场、水滴场和结冰量的数值计算,获得了不同水滴直径下探测器表面的结冰分布,研究了带攻角的典型工况下对水收集和结冰特性的影响,基于光纤传感器的探冰原理,在冰风洞试验中获取探头表面不同位置处的结冰信息,并与仿真结果进行对比,研究表明:该探头构型在SLD和常规水滴结冰条件下具有明显不同的结冰分布,可以通过探测器不同位置处的结冰情况判断是否存在SLD结冰条件。     

引射式结冰风洞内圆柱结冰试验

设计并建造了用于结冰研究的小型引射式结冰风洞试验系统,对其结冰气象条件参数进行了标定,给出了试验段水雾均匀区范围,验证了试验冰形的可重复性.在霜状冰和瘤状冰条件下,对直径为25.4mm和50.8mm的圆柱在所建的结冰风洞内进行了结冰试验.试验结果表明:在所研究的结冰条件和结冰时间范围内,霜状冰与瘤状冰的结冰厚度均随时间推进而线性增长;在满足结冰相似准则的情况下,冰形相似性结果良好,无量纲厚度的最大偏差约为10%.      

二维机翼混合相结冰数值模拟

近年来冰晶引发的飞机结冰问题逐渐引起人们的重视。针对冰晶和过冷水滴同时存在的混合相结冰问题,通过数值模拟的方法实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热的计算中采用了转捩剪切应力输运（SST）湍流模型,基于欧拉法计算冰晶和水滴收集系数。在Messinger结冰热力学模型基础上进行扩展,分析了二维结冰部件表面在混合相气象条件下的传热传质过程,建立了适用于混合相的结冰热力学模型,同时考虑冰晶的黏附效应,添加黏附效率经验公式。利用FLUENT的用户自定义函数（UDF）编程求解混合相热力学模型,计算了霜冰和明冰条件下NACA0012翼型表面结冰情况,与国外风洞试验结果进行比较,验证了计算模型和方法的有效性。结果表明,冰晶黏附效应对混合相结冰量及冰形有很大影响,明冰条件结冰形状偏向楔形。     

结冰风洞试验水滴直径选取方法

结冰风洞是开展飞机结冰研究的主要设备,确定合理的试验水滴大小,是选取结冰风洞试验条件的重要内容。为了研究结冰风洞试验水滴直径的选取原则,针对结冰风洞试验水滴的大小主要取决于试验速度的大小,在推导结冰风洞试验水滴直径选取公式的基础上,用数值方法预测并对比了不同试验速度对水滴大小选取效果及试验结果的影响。采用欧拉法数值计算了不同试验速度及相应试验水滴条件下,试验模型表面的水滴收集率,并与全尺寸物体表面的水滴收集率进行了对比。研究发现:对于小水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值不能取得太低,参考速度升高到一定程度之后,试验速度与参考速度的比值又不能取得太高;对于大水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值也不能取得太低,当参考速度升高到一定程度之后,试验速度和相应试验水滴直径的改变对模型表面的水滴收集率影响较小,试验速度与参考速度的比值在0.3～1.0之间变动,均可以在模型和全尺寸物体上得到一致的水滴收集率。     

过冷大水滴条件下结冰相似准则

虑到中国现有结冰风洞在过冷大水滴(SLD)结冰条件模拟能力方面的局限,发展SLD结冰风洞及其相应的缩比方法迫在眉睫。研究了大水滴运动机理,并依据绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似、结冰过程热力学特性相似原理,提炼出SLD结冰条件下的6种相似缩比准则,利用结冰数值模拟软件FENSAP-ICE对所提相似缩比准则进行筛选与比较,从而基于结冰相似百分比量化判断准则找出给定条件下的最优准则法。结果表明:考虑SLD运动特性的撞击参数与ONERA法相耦合的方法以及撞击参数与Ruff法相耦合的方法的计算结果与实际成冰构型吻合良好；此外,撞击参数与ONERA法相耦合的方法在计算直径为171 μm的SLD时优于其他。      

结冰风洞液态水含量测量装置设计与实现

结冰风洞与常规风洞的重要区别就是结冰风洞能够模拟真实大气结冰云雾环境,研究飞行器的结冰特性,因此结冰云雾参数的模拟是结冰风洞主要而且关键的能力。液态水含量是结冰风洞云雾参数中一项重要参数,其准确测量是结冰试验开展的基本前提。冰刀法测量液态水含量在国内外被广泛认可,且冰刀装置作为风洞校测基本手段,写入了结冰风洞校准规范。针对结冰风洞中用于液态水含量测量的冰刀装置,根据其测量原理制定了试验方案;提出了整套装置设计的技术指标并指出其中的技术难点;对总体结构进行了设计,并对关键受力部件进行了强度、刚度分析;进行了关键技术研究,包括冰刀液态水收集系数计算和驱动控制系统设计等;最后将设计出的冰刀装置在结冰风洞中进行了试验验证。试验结果表明：冰刀装置设计合理,液态水收集效果良好,实现了结冰风洞液态水含量的测量标定,且防护罩开闭迅速,实现了结冰时间的精确控制,满足技术指标要求。     

小型垂直轴风力机叶片结冰风洞试验与数值计算

利用风洞试验和数值模拟相结合的手段,研究了小型垂直轴风力机叶片在旋转状态下的结冰特性以及结冰后翼型与风力机的气动特性变化,以期为建立较复杂的大型水平轴风力机叶片旋转试验系统和研究其结冰机理、防除冰技术提供参考。试验在东北农业大学自行设计的利用自然低温的结冰风洞中进行,获得了采用NACA0018翼型的小型2叶片垂直轴风力机风轮在5种尖速比下的结冰分布：风力机叶片结冰遍布叶片整个表面,随着尖速比的增大,结冰形状出现不对称性。同时,数值模拟结果表明：叶片结冰后,随着尖速比的增加和结冰量的增多,升力系数降低阻力系数增大的趋势明显,风力机的功率系数也随之下降。分析发现,叶片结冰导致不同旋转角下叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,从而气动特性发生变化,影响了风力机性能。     

结冰环境下结冰/除冰过程的气动参数测量实验技术

采用结冰风洞实验方法,在0.3m×0.2m结冰风洞第二实验段对圆柱模型的结冰/除冰过程进行了气动参数测量实验。建立了电加热圆柱模型和适合低温高湿环境的五分量外式微量天平,获得了结冰气象环境下圆柱模型结冰/除冰过程的气动力/力矩随时间的变化规律。喷雾对载荷和动压的影响可以忽略,单位时间内模型受到喷雾的最大水平力、最大动压增量分别为0.6%和0.2%。基于结冰风洞低温高湿环境的测力实验技术可以捕捉结冰/除冰过程的气动力/力矩变化。结冰过程中,圆柱模型阻力系数随时间不断增大,呈现出近似线性增长趋势,而升力系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数的变化可忽略不计。除冰过程中,前缘冰壳滑动改变了姿态,会造成阻力系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数等迅速变化,其对气动性能的影响难以预测。      

民机飞行结冰参数的模拟与校准

结冰问题的研究对于民用飞机设计十分重要,采用结冰风洞试验是主要的方法之一,欧美国家有很多成熟的结冰风洞用于型号研究。结冰风洞中需要对很多参数进行控制,其中水雾参数精确控制的难度很大,而且一般通过间接方法来进行测试校准,往往误差较大,导致不同结冰风洞试验结果往往有所差异。文章介绍了在意大利宇航中心的IWT 结冰风洞完成的冰风洞校准试验,对结冰风洞水雾参数校准方法进行了阐述,为民机结冰风洞研究提供参考。     

飞机机翼结冰计算方法与风洞试验研究概况

介绍了飞机结冰的数值计算方法,包括绕流流场计算、过冷水滴轨迹方程计算和结冰量计算,并给出冰层增长的两种模型;针对结冰风洞试验,指出液滴粒径和液态水含量的测量是试验的难点和重点,并总结上述两个结冰参数的测量方法;给出两种常规结冰缩比方法,并简单介绍混合缩比模型的设计方法。