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。     

冰层中Lamb波传播特性的数值模拟和实验研究

作为最常用的超声导波之一,Lamb波具有能量集中、传播范围广、沿程衰减小等特点,可以拓展应用于结冰探测领域。为探明Lamb波在冰层中的传播规律,基于Lamb波探冰实验平台构建物理模型,以COMSOL Multiphysics软件为计算工具,数值模拟了不同厚度、不同长度冰层中的Lamb波传播情况。在此基础上,搭建了Lamb波探冰实验平台,开展了无冰铝板和覆冰铝板Lamb波传播实验。结合数值模拟和实验结果,明确了温度、冰层几何特性、液态水对Lamb波传播特性的影响规律。结果表明：温度越低,Lamb波传播群速度越快;在一定冰层厚度范围内,接收端压电片电压幅值衰减量随冰层厚度增大而增大;随着冰层长度增加,接收端Lamb波B1模态时间延迟量线性增大;液态水仅对Lamb波A0模态产生影响,对S0模态影响不大。实验和数值模拟结果具有较好的一致性,为Lamb波结冰探测技术提供了理论参考。     

冻细雨分布匹配的量化评估方法

为实现过冷大水滴（Supercooled large droplet,SLD）结冰条件中冻细雨结冰条件的精细化匹配,本文通过分析美国联邦航空管理局颁布的14CFR25附录O中给出的冻细雨液滴尺寸分布,提出了冻细雨分布匹配的量化评估方法。该评估方法引入标准化质量分数概念,计算测量值与冻细雨液滴尺寸分布之间的匹配偏差因子,采用Rosin-Rammler分布函数构建最优匹配累积分布函数,以此作为匹配偏差最小阈值,量化评估液滴尺寸匹配程度。基于新型喷雾测试平台和自研的空气辅助雾化喷嘴Model 1和Model 2,采用该方法对冻细雨条件开展匹配和评估研究。研究结果表明：针对冻细雨（水滴中值体积直径（Median volumetric diameter,MVD）<40μm）条件,液滴尺寸分布匹配偏差最小阈值Fc=11.82%,Model 1+Model 1和Model 1+Model 2组合匹配偏差因子F分别为24.08%和22.02%,匹配程度均评价为“中等（Fair）”。针对冻细雨（MVD>40μm）条件,液滴尺寸分布匹配偏差最小阈值Fc=3.76%,Model 1+Model ...     

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.     

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。     

ARJ21-700飞机冰脱落数值模拟

ARJ21-700飞机采用尾吊式发动机布局,特定条件下自表面脱落的冰块对发动机构成安全威胁.为研究冰块形状、姿态及脱落位置对进入发动机的概率的影响,本文应用课题组自主研发的流体计算软件MBNS3D,求得ARJ21-700飞机定常流场,建立不同冰型的气动力数据库;通过对脱落冰块求解六自由度方程,得到冰块自飞机头部和机翼上表面脱落的运动轨迹.研究发现,该方法可以准确、快速进行大量轨迹计算,通过对冰块运动轨迹进行分析,总结冰块被吸入发动机的规律,为ARJ21-700飞机适航提供依据.     

考虑相变时间效应的结冰试验相似参数

结冰风洞试验是进行飞机结冰和防除冰研究的主要手段,结冰试验相似准则是进行结冰风洞试验的理论基础。针对目前的结冰试验相似准则在明冰模拟方面的不足,本文采用液/固相变的基本理论,对飞机结冰过程的液/固相变传热特性进行了分析和研究。在此基础上,提出了一个新的结冰试验相似参数CT,该参数与基于Messinger结冰热力学模型所得到的相似参数的主要区别是考虑到了结冰的干模式和湿模式,体现了相变的时间效应。通过将新的相似参数引入现有结冰试验相似准则中,可有效避免试验压力与速度选取的随意性。以 NA-CA0012翼型和某超临界翼型为对象,对新相似参数的有效性进行了数值仿真评估,结果显示,采用本文提出的相似参数及相应的试验参数确定方法,能够得到与参考条件一致的水滴收集率和结冰,初步说明新相似参数的是有效的,研究结果对于提高明冰及混合冰试验模拟的精度具有较好的参考价值。     

动态结冰微观孔隙结构定量分析

过冷水撞击低温基底结冰是典型的动态过程,易形成气泡孔隙,这一孔隙结构是决定动态结冰热/力学特性的根本因素。针对动态结冰微观孔隙结构定量研究的不足,以风洞结冰显微图像为对象,采用前期提出的变分分割模型,建立了结冰图像孔隙提取方法;基于孔隙提取结果,系统分析不同结冰条件下的孔隙形态、孔径分布等相关结构特征,提出了孔隙类球形、孔径分布连续的结论,并建立了孔隙孔径分布函数,推导了其概率密度函数。结果表明,变分图像分割方法作为孔隙提取的手段具有适用性和优越性,所提孔隙结构相关定量结果与试验数据具有较高的吻合度,基于此开展动态结冰微观结构定量研究是可行的。     

一种改进的积冰试验相似准则及其评估

从影响飞机积冰的基本物理过程出发,基于对AEDC和ONERA准则的分析,给出了一种改进的积冰试验相似准则.利用数值方法对改进的相似准则进行了有效性评估,数值评估的结果表明,用这种相似准则所确定的参数进行数值模拟,可以在圆柱及其1/2缩比模型上的对应区域得到相似的积冰,初步表明笔者所提出的相似准则是有效的,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.     

飞机三维结冰模型及其数值求解方法

 对飞机结冰外形进行纯三维数值模拟,是目前飞机结冰预测中的一大难点。为了建立三维结冰数值模拟方法,基于Messinger的二维结冰模型,提出了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型,并针对该模型建立了表面单元内溢流水流动的分配方案、发展了相应的迭代求解方法。采用本文方法对MS-317后掠翼结冰进行了计算,并与实验和Lewice3D的计算结果进行了对比。研究结果显示：本文方法具有较好的收敛性,计算的霜冰和明冰外形均与Lewice3D计算的冰形一致;对于霜冰和结冰时间较短的明冰,本文计算的冰形与实验吻合较好;对于结冰时间较长的明冰,本文计算的冰形与实验对比还有一定差异,但冰生长的总体趋势和大致体积与实验一致。同时,对比了MS-317无后掠翼与有后掠翼结明冰的外形,发现机翼后掠导致的三维溢流效应对结冰外形有明显影响,因此,对于三维结冰分析,如果用二维截面的结果来代替三维结果,其合理性还需验证。