面向过冷大水滴适航验证的结冰探测技术研究

过冷大水滴（Supercooled large droplet,SLD）结冰超出了常规防除冰系统的防护范围,是一种更为严重的结冰情形,极大地影响着飞行安全。在美国联邦航空管理局14 CFR 25.140条款中明确提到为保证飞机在SLD结冰条件下的安全运行,首先且必须要对SLD结冰气象环境进行探测。由于水滴破碎会改变水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,而水滴飞溅对结冰极限位置影响不大,因此本文通过研究大、小粒径水滴在飞机上收集范围不同的特点,提出一种可以满足SLD结冰适航符合性的结冰探测技术。该结冰探测技术采用常规结冰探测器,根据水滴收集范围将其布置于不同敏感结冰部位,可以实现全剖面飞行的结冰环境探测。     

基于水滴收集特征的SLD探头外形参数化设计与仿真研究

面对过冷大水滴（Supercooled large droplet,SLD）结冰环境,行之有效的结冰探测手段是实施规避策略、尽快脱离SLD结冰环境的先决条件。针对一种面向SLD环境探测需求的双碰撞面探头,考虑基于SLD动力学模型,模拟分析探头水滴收集特征进行探头外形参数化设计研究,研究影响探头区分SLD环境的关键几何参数,从而为探头外形设计提供参考依据。对选定的探头外形仿真计算结果表明,在常规水滴条件下,结冰主要发生在探测器的第一碰撞面,第二碰撞面上的结冰厚度很小,与第一碰撞面之间存在明显差异;而在SLD条件下,冰层在第一及第二碰撞面上均有累积。不同直径的水滴撞击到探头不同位置,形成累积特征迥异的结冰形态,验证了探头外形参数化设计方法应用于SLD环境探测的有效性。     

结冰风洞过冷大水滴结冰条件模拟能力综述

结冰风洞是进行飞行器等结冰现象及防/除冰装置研究的重要地面模拟设备。随着过冷大水滴结冰现象对飞行性能及防除冰装置设计影响的重要性日益显现,以及过冷大水滴结冰条件适航标准的提出,亟需在结冰风洞中发展SLD结冰条件的模拟能力。本文分析了CFR14-25部附录O中所确定的SLD结冰条件及其对结冰风洞的相关模拟能力所提出的要求;介绍了目前国外几座具有典型代表意义的结冰风洞及气动中心的结冰风洞在发展SLD结冰条件模拟能力方面所取得的成果及所面临的问题。本文认为过冷大水滴的产生及其与云雾颗粒在风洞内的湍流混合、超大尺度的水滴在气流中的过冷以及宽滴谱范围的颗粒度分布测量等问题,是在发展SLD结冰条件模拟能力方面所面临的关键技术问题,提出了中国空气动力研究与发展中心在发展结冰风洞SLD模拟能力方面所采取的技术路线及关键技术解决方法。     

飞机结冰传感器安装位置确定方法

结冰传感器的安装直接决定了冰的探测效果，在飞机设计阶段往往要耗费巨大的工作量来确定合适结冰传感器安装的位置。本文提出了一种高效确定结冰传感器安装位置的方法，其基本思路是采用数值计算的手段，获得不安装结冰传感器飞机流场的水滴容积分数分布；再根据水滴收集率的定义，得到传感器拟安装区域不同位置的水滴收集率，并与机翼表面的水滴收集率对比；从保证传感器可以起到预警作用的角度出发，进而给出传感器的安装位置。采用该方法对某型民航客机进行了分析，给出了该型飞机适合安装传感器的区域。在此基础上，将传感器加载到对应位置进行数值仿真验证。仿真结果显示:传感器探头处的水滴收集率与不加载传感器时该位置的水滴收集率基本一致，均大于同等条件机翼上的最大水滴收集率，符合飞机的结冰防护需求。本文方法可普遍应用于运输类飞机设计，有效提高结冰防护系统设计的效率。     

飞机结冰探测器安装位置研究

基于飞机结冰探测器安装要求,通过三维数值仿真,模拟了机头表面流场和水滴撞击特性.通过标定水滴遮蔽区和浓度增加区引入危险位置点的概念,对结冰探测器的安装位置进行了分析,模拟了安装位置处结冰探测器探头表面和飞机主要迎风部件表面的水滴收集特性和结冰特性,并进行对比分析.分析结果表明探头表面的最大收集系数、结冰强度和结冰程度等...     

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粒径测量初步研究

过冷大水滴粒径测量方法是结冰风洞过冷大水滴云雾模拟能力的关键组成部分.为评估双通道机载式相位多普勒干涉仪(PDI-FPDR)的过冷大水滴粒径测量能力,利用标准液滴流发生器产生特定尺寸的大粒径液滴流,评估PDI-FPDR的液滴粒径测量不确定度;针对真实大粒径喷雾,同时采用Malvern粒度分析仪和PDI-FPDR测量喷雾...     

飞机结冰中水滴撞击特性欧拉法的网格影响分析（英文）

过冷水滴撞击特性计算研究是飞机结冰预测与防除冰系统性能分析的基础,欧拉法是过冷水滴运动及撞击特性计算的常用方法之一,分析欧拉法在计算复杂表面水滴运动撞击时的准确性具有重要意义。以NACA0012翼型、冰风洞风道、S形进气道及三段翼为研究对象,利用欧拉法采用不同网格计算获得了水滴运动及局部水收集系数,结果表明：当水滴运动没有受到上游部件的导流或者遮挡时,欧拉法计算结果具有网格无关性;当水滴运动受到上游部件影响发生轨迹偏转时,欧拉法计算结果具有网格相关性,不同网格计算得到的液态水含量及局部水收集系数不一致,需要进一步考虑水滴运动受到上游效应影响时网格对欧拉法计算结果的影响。     

过冷大水滴相继撞壁对结冰影响的实验研究

目前过冷大水滴（SLD）撞击结冰机理未能清楚解释SLD间的相互干扰对撞击结冰过程的影响。实验用高速相机拍摄双SLD偏移一定位置相继撞击壁面结冰的物理过程，研究双SLD落点间的偏移、相继撞击的时间间隔对结冰形态及结冰速度的影响。实验表明:双SLD间的相互干扰会抑制撞击后的回缩行为进而影响结冰形态，降低结冰速度，延长双SLD完全冻结时间:双SLD落点位置偏移量的大小对结冰形态和结冰速度的影响均很大，相继撞击时间间隔的长短对结冰形态影响不大，主要影响结冰速度。     

冰风洞过冷大水滴云雾水滴质量分布模拟

准确模拟过冷大水滴（Supercooled large droplet, SLD）云雾水滴质量分布是最新的结冰适航条款要求，也是当前冰风洞试验技术难点。以14CFR 25部附录O规定冻毛毛雨水滴累计质量分布曲线为目标，在冰风洞中开展过冷大水滴结冰条件模拟研究。基于水滴质量分布要求进行大水滴云雾与小水滴云雾匹配性分析，并在FL-61风洞喷雾系统现有条件下开展大水滴喷嘴喷雾性能测量，将生成的具有不同液态水含量（Liquid water content, LWC）和体积中值直径（Medium volume diameter, MVD）特征的云雾参数组合，在试验段中心位置生成了水滴质量分布曲线接近附录O规定的冻毛毛雨条件。研究结果表明，采用分别模拟相应水滴质量分布的大水滴和小水滴云雾，再进行组合喷雾能够较好地预测和指导在冰风洞中构造大水滴云雾，同时验证了在冰风洞内能够采用两种喷嘴模拟水滴质量为双峰分布云雾条件的可行性。     

3m×2m结冰风洞试验技术研究进展

3 m×2 m结冰风洞于2013年建成,近年来该风洞的试验技术研究取得了一系列的进展。首先对风洞概况和相关试验技术进行了介绍,包括总体情况、性能指标、试验能力等,重点阐述了该结冰风洞已形成的云雾场参数校测、冰形特征捕获、热气防冰和电热除冰等试验技术。其次,对发动机、直升机结冰与防除冰、过冷大水滴和冰晶雨雾模拟等结冰风洞试验技术新的发展方向进行了分析和探讨,提出了发展思路。可为结冰风洞建设与试验技术的研究提供参考。     

气动除冰飞机结冰风洞试验技术

民用飞机为获得型号合格证,应按照有关结冰适航规章条款进行结冰适航验证,结冰风洞试验是获取临界冰形的有效途径。本文以Y12F飞机结冰风洞试验实际工程过程为例,总结与分析了气动除冰飞机结冰风洞试验的模型设计、气动除冰套模拟、试验状态转换、试验流程、冰形测量等关键技术,并给出代表性试验结果。试验结果表明:在典型最大结冰条件下,除冰套工作正常,除冰套循环工作期间正常除冰;除冰套工作间歇,机翼前缘结冰表现为前缘形成较为光滑、厚度约为5~6mm的冰帽,上翼面产生1道高度为3~4mm的冰脊,下翼面形成3道2~4mm的冰脊。     

大型季节性可移动式结冰风洞及其试验方法研究

利用冬季自然低温进行结冰试验是飞机大尺寸部件和整机结冰试验的有效方法.文章总结了法国、加拿大、美国、俄罗斯等国家季节性结冰风洞的主要参数,分析了季节性结冰风洞在大尺寸机翼、螺旋桨和飞机等方面的试验能力.基于中国航空工业空气动力研究院季节性可移动式结冰风洞开展了螺旋桨结冰和机上地面结冰试验方法研究,分析了螺旋桨结冰和冰脱...     

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。     

民用飞机适航用临界冰形的确定及验证

对民用飞机结冰适航取证用临界冰形确定及验证进行研究。在民用飞机结冰适航取证过程中,首先需要确定临界冰形,为结冰后的性能和操稳评估提供冰形输入。首先确定临界冰形的判断标准,制定临界冰形确定的工作思路;然后采用SADRICE结冰数值软件开展结冰冰形参数的敏感性分析,获取临界结冰条件;最后通过冰风洞试验对参数敏感性结论进行验证。结果表明数值模拟参数敏感性分析结论与冰风洞试验结果一致,数值模拟所得临界冰形上冰角与冰风洞试验一致,下冰角存在一定差异,但不影响冰形临界性判断结论。参数敏感性分析所得临界结冰条件以及冰风洞试验所得临界冰形正确,可作为结冰适航取证临界结冰条件及临界冰形。临界冰形确定思路、方法可为其他民用飞机结冰适航取证提供参考。     

基于大型结冰风洞的航空发动机结冰与防冰试验技术

航空发动机结冰和防冰过程复杂,数值计算无法对其进行准确模拟,因此试验研究是发动机研究过程中必不可少的手段.我国首座大型结冰风洞已具备开展飞机翼段结冰试验的能力,有必要进一步发展航空发动机结冰与防冰试验技术,以满足下一步我国航空发动机型号设计与适航取证的需求.依托3 mX2 m大型结冰风洞,发展了进气模拟技术和热气供气技...     

直升机旋翼模型结冰风洞试验技术

为满足我国直升机旋翼结冰风洞试验需求,中国空气动力研究与发展中心在大型多功能结冰风洞研制了直升机旋翼模型结冰试验系统,发展了旋翼模型结冰风洞试验方法和数据采集与处理方法,规范了结冰试验的流程,能够安全可靠地开展旋翼模型结冰试验研究.通过开展国内首次直升机旋翼模型结冰风洞试验,研究了典型工况下旋翼模型的结冰特性,获得了结...     

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。