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℃。     

大型结冰风洞云雾场适航应用符合性验证

结冰风洞云雾场符合性是大型结冰风洞适航应用的基础。为验证3 m×2 m结冰风洞云雾场符合性，发展了基于SAE ARP5905的结冰风洞云雾场符合性验证方法，针对主试验段构型，开展了结冰云雾场符合性验证试验，获得了试验段内液滴尺寸和液态水含量拟合关系，考察了喷嘴水压、液滴尺寸、试验段气流速度和喷嘴数量对试验段液态水含量的影响，形成了主试验段结冰云雾控制包线。结果表明：主试验段内液滴尺寸分布具有显著的单峰分布特征，体积中值直径（MVD）模拟范围近似在10~75 μm之间；试验段中心处液态水含量随着喷嘴水压和MVD的增大而增大，同时近似与试验段气流速度成反比，与喷嘴数量成正比；增大喷嘴水压和喷嘴数量会提高试验段内云雾液态水含量空间均匀性，但是增大气流速度却会减弱试验段内云雾空间均匀性；3 m×2 m结冰风洞主试验段结冰云雾控制包线可以覆盖大部分适航条例25部附录C结冰气象条件，但对低液态水含量结冰条件的模拟仍存在局限。     

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。     

燃烧加热风洞中水蒸气相变的数值研究

采用带有非平衡相变模型和考虑高温气体效应的平衡流动模型的数值方法,模拟了燃烧加热高超声速风洞中燃烧生成的水蒸气在喷管流动中发生相变的物理过程,研究了水蒸气凝结对下游流场参数的影响和凝结后气流进入试验段时尖劈模型斜激波后发生液滴蒸发两种典型情况。研究表明,凝结产生的潜热使试验气流参数偏离初始设定的风洞出口模拟流场;在流场中产生的凝结激波,将加剧凝结对风洞出口参数的均匀性的影响;对出口马赫数为6的喷管,为了模拟静温为220K的高超声速飞行环境,水蒸气的凝结将难以避免;带液滴试验气流经斜劈压缩后液滴蒸发,斜激波后气流热力学参数不能恢复到无相变时斜激波后的状态,将影响模型实验的测力等数据。     

凝结相变对低温风洞雷诺数试验的影响

为了研究凝结相变对低温风洞雷诺数试验能力的影响,基于Fluent软件建立了气-液两相凝结流动模型,相变模型采用考虑非等温效应修正的经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论;针对不同来流压力和不同试验雷诺数工况条件,对氮气绕流NACA 0012翼型进行了数值模拟。模拟结果表明:随着来流温度的降低,翼型附近区域气体膨胀越过气态饱和线并达到过冷状态,进一步降低来流温度则会在宏观层面上观测到凝结相变对当地流场的改变,与无凝结相变的流场相比,释放的潜热加热气流导致马赫数降低及压力系数的改变;在确保不破坏翼型气动性能试验的前提下,充分利用气体过冷区域来降低来流压力以此减少驱动功率和液氮喷入量是可行的,或者保持来流压力不变提升低温风洞的试验雷诺数。     

溢流条件下飞机结冰过程的传热特性研究

基于液/固相变和液膜流动的基础理论,对飞机结冰过程的传热特性进行了研究,建立了溢流与液/固相变耦合的结冰传热模型,并采用该模型对来流各参数对冰层生长特性的影响进行了分析.研究结果表明,结冰表面液态水的溢流将促进液/固相变过程,并进而提高冰层生长速率.气动剪切力是影响溢流效应的主要因素,来流速度越高,气动剪切力越大,溢流效应也越明显;反之,则溢流效应越微弱.在溢流条件下,来流参数中来流温度和速度是影响冰层生长速率的主要原因.来流速度越高或温度越低,则冰层生长速率越大,反之则生长速率越小.比较而言,液态水含量和水收集系数的变化对冰层生长速率的影响相对较小.      

氢燃料燃烧加热风洞中水蒸气相变效应的数值研究

为明晰氢燃料燃烧加热风洞中的水蒸气相变效应,采用同时考虑凝结和蒸发相变模型的多组分输运可压缩流动数值模拟方法,研究了超声速喷管内的水蒸气凝结过程以及凝结气流再蒸发对典型压缩构型(二维斜劈、三维斜劈和圆锥)流场参数及气动力的影响。结果表明:氢燃料燃烧加热风洞喷管气流中,水蒸气在较低总温条件下确实存在较大程度的凝结相变,但同时在斜劈激波压缩后也存在较强的蒸发相变;凝结会使喷管流场参数发生较大偏离,但再蒸发效应又会使气流经过斜劈压缩后趋近理想状态,趋近的程度受到压缩程度的影响。本文计算条件下,喷管内水蒸气相变导致出口参数偏差大于10%,但经过12°斜劈压缩后,流场参数以及表面气动力可恢复到理想状态的95%以上,此时相变的影响基本可以忽略。     

结冰实验段空气-水混合流动过程的数值模拟

针对结冰实验段内低温空气与高温雾化水滴的混合流动过程进行了数值模拟,采用拉格朗日方法建立了空气-游离水滴/冰粒多相混合流动与传热传质的一维分析模型,考虑了水滴粒径分布、相变及空气-水滴/冰粒传热传质等因素,求解了流道内气流温度/湿度/速度,水滴温度/速度/半径等参数沿流动方向的变化,分析了水滴粒径分布、气流温度、液态水含量、相对湿度等参数对流动与传热过程的影响,与已有数据的对比验证了模型及结论的正确性.      

大型结冰风洞中冰晶热/力平衡特性数值研究

为明晰大型结冰风洞中冰晶热/力平衡特性,发展了基于欧拉法的冰晶运动和传热传质耦合计算方法,模拟了典型大型结冰风洞构型内冰晶运动和传热过程,从沉降收缩、动量平衡和热平衡三个方面,考察了颗粒形状和体积密度的影响.结果表明:颗粒形状和体积密度对小尺寸冰晶的热/力平衡特性无显著影响.降低颗粒球形度和体积密度会抑制大尺寸冰晶沉降...     

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。     

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。      

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。      

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。     

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...