结冰风洞试验混合相似转换方法及其验证

相似转换是结冰风洞试验的重要技术手段,使用常见的相似转换方法有时会获得风洞能力外的转换结果,为了克服常见转换方法存在的适用范围限制,本文通过对相似参数的影响因素进行分析,获得了试验参数在相似准则约束下的变化规律和关联性.在此基础上提出了一种混和相似转换方法,其转换流程分为由水滴惯性系数和驻点冻结系数控制的两个阶段,根据满足的相似参数不同分为四种模式:模式1可以同时满足所有主要相似参数和三种热平衡参数;模式2和模式3分别为ONERA方法和Ruff方法的改进;模式4直接使用了Olsen方法.通过数值模拟和风洞试验对混合相似转换方法进行了验证,转换冰形与参考冰形基本一致,转换后的试验参数对比其他转换方法更具实用性.     

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%.      

旋转帽罩结冰相似准则的研究

为了研究航空发动机旋转帽罩结冰相似理论,在静止部件结冰相似准则的基础上,忽略次要因素的影响,建立了一种适用于旋转帽罩的结冰试验相似准则。利用建立的旋转结冰相似准则,通过数值模拟方法,对旋转帽罩缩比前后的水滴收集特性和结冰冰形进行了误差分析,并对此准则的可靠性进行评估。计算结果表明:用建立的相似准则所确定的参数对于全尺寸旋转帽罩转速分别为1kr/min和5kr/min时进行数值模拟。在全尺寸旋转帽罩及其1/2缩比模型上的对应区域得到的水滴收集特性和结冰冰形,误差约为2.7%和5.3%,表明选取缩比参数的方法是可靠的,并且提出的相似准则是有效的,对结冰风洞试验的理论研究和参数选取有一定的参考价值。     

民用飞机翼面冰形的工程修正

翼面结冰是威胁飞行安全的重要因素之一。以数值模拟结冰为基础,进行了翼型结冰的工程修正方面的研究。运用结冰分析软件Sadrice,对不同状态下的不同翼型进行表面冰形数值模拟。结合结冰风洞试验结果,对影响冰形的参数进行了变参研究,得到了最有效的修正方法。对现有对流换热系数经验公式进行线性修正,使修正对流换热系数经验公式后的预测冰形和冰风洞试验结果之间能够较好地吻合,最终总结出了一套工程修正数值模拟冰形的方法。     

基于等 Weber 数的结冰外形修正

由于设备条件的限制,在进行结冰风洞试验时,试验 Weber 数与目标 Weber 数往往存在差异,为了获得与目标 Weber 数对应的冰形,需要对试验结果进行修正。本文分析了进行 Weber 数修正的原因,提出了根据几何特征量进行结冰外形修正的方法,并以某超临界翼型为对象,对不同 Weber 条件下的结冰外形进行了仿真,研究了Weber 数变化对结冰的影响规律,在此基础上开展了基于等 Weber 数的结冰外形修正。研究发现：(1)Weber 数主要影响冰角特征,对水滴收集特性、结冰极限及驻点冰厚度影响较小;(2)存在一个敏感 Weber 数,低于敏感值时, Weber 数变化对结冰影响不大,当 Weber 数高于敏感值时,Weber 数变化对结冰有明显影响;(3)采用本文提出的冰形修正方法,能保证冰形的宏观轮廓与目标冰形一致,修正后的冰形能适量消除由于 Weber 数误差导致的冰形差异,提高试验的精度。     

基于Kriging模型的冰风洞试验冰形参数化方法

为增强冰形使用的可靠性,基于Kriging模型,提出了冰形曲线参数化的方法。以多组冰风洞试验冰形为对象,分析了方法的可操作性及其关键参数对结果的影响规律。同时,结合等效砂粒高度的概念,阐述了参数化冰形实际应用中的有效建议。研究表明:方法是可行的,它在保证了原冰形几何特征的基础上,有效光滑了小尺度的尖角和凹陷,优化了原冰形;在考虑合适表面粗糙度后,又保持了原冰形气动特性。方法为试验冰形后处理提供了必要的手段,同时可结合高精度拟合方法,推广至冰形预测中,以提高冰形获取效率和适用性。     

面向过失速机动的风洞动态试验相似准则探讨

为进行更加准确的风洞试验,讨论了针对过失速机动的风洞动态试验的相似准则问题。从六自由度运动方程推导出了进行动态风洞试验需要满足的运动相似参数;从N—S方程中得到满足流动相似的相似参数。针对不同类型的风洞动态试验,提出了具体对应的相似参数作为主要的模拟量。得到的结论可以为风洞动态试验参数选择提供参考。     

等离子体冰形调控改善翼型/机翼气动性能的试验研究

飞机结冰是严重影响飞行安全的潜在危险因素之一.本文针对飞机结冰问题提出了保障结冰条件下飞行安全的等离子体冰形调控方法,开展了基于等离子防除冰冰形调控的冰风洞试验,进行了冰形调控规律的探索,并在无人机上对冰形调控方法进行了验证.结果表明,等离子体冰形调控可按照设计的布局防止结冰从而获得所预期的调制冰形;单个冰形宽度与弦长比即无量纲冰形尺寸(d/c)和单个冰形宽度与单个无冰间隙宽度比即无量纲调控比例(d/l)决定了调控效果;对于固定的无量纲调控比例,无量纲冰形尺寸比值在0.1～0.2之间时获得最佳的升力系数;无量纲调控比越低,机翼升力系数越高.在无人机飞行测试中,通过前缘冰形调制策略提高飞行气动性能的验证,结果表明:相比于机翼前缘全结冰,前缘冰形调制后,失速迎角延迟4°,在大迎角下的升力系数普遍恢复了20％～30％.本文给出了冰形调控的方法和调控规律,并指出选用合适的无量纲冰形尺寸和调制比有助于获得结冰条件下最佳的气动性能,同时通过无人机飞行试验验证了方法的有效性.     

民用飞机机翼结冰试验与数值预测

描述了某民用飞机在意大利IWT（icing wind tunnel）冰风洞的机翼结冰试验结果.根据冰风洞试验状态点,开展了基于拉格朗日方法和Messinger模型的冰形数值预测，并对试验冰形和数值预测冰形进行了对比分析.霜冰的数值预测结果与试验结果一致性良好,对于明冰,数值结果和试验结果存在一定的差异,原因在于:①明冰结冰过程中较强的绕流变化增大了冰积聚非定常效应对数值预测的影响；②采用的结冰热力学模型对明冰的模拟存在一定局限性；③明冰对于冰风洞设备工况和试验模型表面粗糙度的影响更为敏感.      

涡扇发动机短舱结冰试验相似方法

通过分析短舱表面结冰缩比试验相似要求,在保证绕流流场、水滴撞击特性和结冰冰型相似的基础上,分别采用基于气流雷诺数,气流韦伯数和水滴韦伯数3种速度选取方法建立了试验相似准则。利用该准则获得了明冰和霜冰条件下涡扇发动机短舱1/2缩比模型的结冰试验参数,开展了短舱进气道表面结冰冰型预测,对参考模型和缩比模型表面过冷水滴撞击特性、结冰特性、溢流水分布特性进行了分析。结果表明:采用基于气流韦伯数和水滴韦伯数速度选取方法的相似准则,在明冰和霜冰条件下均能保证缩比模型与参考模型表面水滴撞击特性相似,且相似性不受结冰温度影响；溢流水变化趋势与参考模型相似,流动极限相近；缩比模型表面冰型均与参考模型相似,该方法能够为短舱结冰试验参数选取提供依据。