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。     

关于飞机结冰的多重安全边界问题

边界保护是保障飞机安全性的重要方面,对目前国内外飞机结冰安全边界问题的研究现状及进展进行了综述,对飞机结冰致灾物理链路的影响因素及规律进行了分析,指出目前从飞行力学角度出发的安全边界尚未全面考虑飞机结冰致灾复杂物理现象的相关因素,并提出了飞机结冰多重安全边界的概念,将飞机结冰的安全边界分为气象边界、冰形边界和飞行安全边界。结合相应的物理规律和实际应用,按照飞机结冰导致性能恶化的影响程度、飞行操纵影响程度等对边界又进行了多重属性划分。进一步梳理了多重安全边界研究需解决的主要关键问题,提出了下一步的相关研究方向,可为飞机设计、适航认证、飞行操纵、航路规划、分级优化保护等方面的应用提供支撑和参考。     

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。     

基于变分分割模型的结冰冰形测量方法

结冰冰形是结冰风洞试验中关注的要素之一,针对其冰形测量问题,提出了一种基于变分图像分割技术的非接触测量方法。基本思路是对翼型结冰俯视图像进行图像分割,将获得的曲线标定后与翼型数模结合,得到最终结冰冰形。为了排除结冰图像中不相干物体和因素的干扰,更精确获取结冰冰形,提出了选择分割的思想,构造了区域特征函数,建立了新的能量函数。采用所提基于变分分割模型的测量方法,对结冰风洞试验冰形进行了测量,并定量分析了方法的误差,测试了方法的抗噪声能力。结果表明该方法对结冰冰形的测量是准确可行的,且具有较高的精度,另外,其对噪声具有鲁棒性。所提方法可推广至其他与物体形状相关的测量中。     

水滴撞击特性的高效计算方法

针对拉格朗日方法计算水滴撞击特性效率低、通用性差等问题,发展了一种水滴撞击特性的高效计算方法。在求解绕流流场的基础上,结合逐级结构化管理的边界信息存储方式,采用目标扩散追踪方法对水滴所在网格单元进行快速计算,并插值得到该点处的流场信息,逐个求解水滴运动方程得到各水滴的运动轨迹,从而确定水滴撞击极限、收集系数等撞击特性参数。通过对NACA0012翼型、GA-W(1)两段翼型和某三段翼型的计算得到不同状态下的水滴撞击特性,计算结果表明,该方法与传统方法相比具有计算效率高、结果可靠、通用性好等优点。     

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。     

一种高效的壁面距离计算方法

采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术进行湍流效应数值模拟时,经常需要计算流场网格点到最近壁面的距离。当网格规模很大,特别是针对一些动网格问题,壁面距离的计算量很大且费时,影响整个流场求解效率。本文对壁面距离计算的直接算法和基于二叉树技术的ADT(Alternating Digital Tree)快速算法进行了对比分析和研究,提出了一种高效的、基于方盒切割技术的快速计算方法,并采用不同外形的CFD计算网格对该方法进行了验证。计算结果表明,新方法的壁面距离计算效率明显高于直接算法和ADT算法,并具有较好的鲁棒性和通用性,可以便捷地移植到现有的CFD计算程序中,从而提高整个流场的数值计算效率。     

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。     

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。     

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。