大型结冰风洞气流场适航符合性验证

大型结冰风洞气流场适航符合性是大型结冰风洞适航应用的先决条件。为验证3 m×2 m结冰风洞气流场适航符合性,首先建立了结冰风洞气流场适航符合性验证方法,然后针对主试验段构型,开展了气流场适航符合性验证试验,考察了试验段气流速度和喷嘴干空气射流对流场特征参数(气流速度、气流偏角和气流湍流度)的影响,最后评估了试验段内气流场品质,获得了结冰风洞气流场控制包线。结果表明:喷雾耙结构会影响试验段内气流速度和气流偏角空间分布形态,进而导致了非均匀峰值区的形成;增大试验段气流速度会改善气流场品质,但喷嘴干空气射流会显著恶化试验段气流速度低于60 m/s的气流场品质;3 m×2 m结冰风洞主试验段气流场品质在主要试验速度范围内均满足适航审定要求。     

结冰风洞中液滴相变效应数值模拟

为明晰结冰风洞中液滴相变效应,发展了基于Euler法的气液两相传质传热耦合流动计算方法,探索了3 m×2 m结冰风洞主试验段构型相变效应对液滴传热过程的影响,开展了参数影响研究,评估了试验段内液滴过冷状态。结果表明：构型内液滴经历了先蒸发后凝结两个阶段,蒸发效应促进了准一维传热阶段液滴温度的下降趋势,使液滴温度趋于湿球温度,而凝结效应则抑制了三维收缩阶段液滴温度的下降趋势,进而增大了试验段液气温差,影响液滴过冷状态;增大初始相对湿度和试验段气流速度,会导致蒸发效应减弱而凝结效应增强,进而增强了相对湿度和气流速度对液滴过冷状态的影响程度,与此相反,初始液滴尺寸的增加,则会导致蒸发效应和凝结效应均减弱,进而减弱了液滴尺寸对液滴过冷状态的影响程度;在典型工况下,小尺寸液滴（液滴直径范围为40~100 μm）在高风速时（试验段气流速度大于164 m/s）将偏离过冷状态（液气温差超过3℃）。     

结冰风洞中过冷大水滴云雾演化特性数值研究

为明晰结冰风洞中过冷大水滴（SLD）云雾演化特性，发展了基于欧拉法的SLD液滴运动、传热和传质耦合计算方法，针对3 m×2 m结冰风洞主试验段水平收缩构型，分析了SLD云雾沉降收缩特性、动量平衡特性和热平衡特性，探索了液滴变形破碎的影响，评估了构型出口处SLD液滴动量平衡和热平衡状态。研究结果表明：直径超过250 μm的SLD液滴在构型内会发生显著形变，液滴尺寸越大则变形程度越强，尤其在160 m/s工况下，当液滴直径超过750 μm后，SLD液滴甚至会发生破碎；液滴变形破碎效应会增大液滴加速度和液滴温度下降率，促使SLD液滴趋近动量平衡和热平衡状态；SLD云雾（最大液滴直径小于1 000 μm）在构型出口处会出现显著的粒径浓度分层、动量分层和热分层现象，其中直径小于100 μm的小尺寸液滴速度快、温度低且不断凝结，趋于平衡态，但直径超过500 μm的大尺寸SLD液滴速度慢、温度高且不断蒸发，则显著偏离平衡态；增大试验段气流速度尽管会减弱SLD云雾粒径浓度分层程度，但会增强动量分层和热分层程度，尤其在160 m/s工况下，SLD云雾会均匀分布在构型出口中心区域内（-0.75 m < Y < 0.75 m且-0.5 m < Z < 0.5 m），与其平衡态间的最大速度差和温度差将分别超过18 m/s和20℃。     

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。     

结冰风洞中液滴过冷特性数值研究

为明晰结冰风洞中液滴过冷特性,发展了基于欧拉法的气液两相耦合流动计算方法,模拟了结冰风洞中气液两相耦合流动过程。在此基础上,首先开展了参数影响研究,然后考察了典型结冰风洞构型中三维收缩效应对液滴过冷特性的影响,最后评估了该风洞试验段内液滴过冷状态。结果表明:结冰风洞中液滴过冷特性主要受液滴粒径和气流速度影响,增大液滴粒径和气流速度会显著增加两相温度平衡距离;结冰风洞中的液滴传热过程可以分为准一维传热和三维收缩传热两个阶段,三维收缩传热阶段对液滴过冷状态的影响显著强于准一维传热阶段,三维收缩效应对液滴过冷状态起决定性作用;在典型试验工况下,粒径小于40μm的小粒径液滴在试验段内均达到过冷状态(液滴气流温度差小于2℃),但粒径大于100μm的大粒径液滴在高风速条件下(试验段气流速度为157m/s)未达到过冷状态(液滴气流温度差大于5℃)。     

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。     

航空发动机结冰试验中水滴特性参数分析

通过建立水滴在低温低马赫数气流中的传热传质以及运动数学模型，和以Fluent软件解析雾化喷嘴周围气流的总压分布和速度分布的基础上，分析了水滴直径、水滴速度、水滴表面温度和液态水含量等特性参数，在不同的来流速度、来流温度和水滴初始温度条件下的变化。结果表明，在来流速度、水滴初始速度以及直径大小相同条件下，水滴与气流的温差，是影响发动机进口截面液态水含量的主要因素。对结冰试验过程中模拟结冰云雾气象条件的参数选取进行了建议。     

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试验中混合翼设计

开展结冰风洞过冷大水滴结冰试验验证了现有混合翼设计准则。结冰风洞过冷大水滴结冰试验条件采用大、小水滴两种喷嘴组合喷雾实现了与冻毛毛雨水滴质量“双峰”分布曲线非常符合的过冷大水滴结冰环境模拟。以0.50 m弦长的NACA0012翼型为原始翼型，基于面向工程、面向适航的混合翼设计准则通过求解Navier-Stokes(NS)方程计算翼面压力分布，以混合翼与原始翼型驻点位置和前缘吸力峰值尽可能重合为目标，在保证前缘附近与原始翼型相同的基础上混合翼的设计弦长缩短50%。在结冰风洞中开展冻毛毛雨环境下的结冰试验验证混合翼设计效果，结果显示混合翼型与原始翼型模型前缘表面的冰形特征基本一致，局部冰形存在少量差异，混合翼型模型表面冰形冰高略偏大。所得结论表明现有混合翼设计准则在冻毛毛雨环境下依旧适用，可供后续开展相关民机型号的过冷大水滴结冰风洞试验参考。     

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。      

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。     

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%.      

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.     

航空发动机支板热滑油防冰性能试验

在冰风洞内开展了结冰条件下涡轴发动机进气支板的热滑油防冰系统的防冰性能试验研究。试验设计加工了滑油电加热系统,采用可编程逻辑控制器（PLC）监控滑油的温度和流量。在冰风洞中采用全尺寸模型开展滑油防冰性能试验,所开展的涡轴发动机支板热滑油防冰试验参数包括：来流温度为-10,-5℃,来流速度为40 m/s,液态水含量为0.5,1.0 g/m³,过冷水滴平均体积直径为20 μm。试验开展了不同结冰气候条件下、不同滑油通道位置滑油防冰进气支板防冰效果的研究,记录了支板表面温度的变化和结冰情况。试验同时得到了支板防冰能力不足时支板表面的结冰冰型和结冰环境下发动机支板热滑油防冰的特点。