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.     

AC-SDBD等离子体激励防/除冰研究现状与展望

层流控制、复合材料、全电驱动等创新性航空技术的应用给传统防/除冰方法带来了新的挑战。基于高电压驱动的表面介质阻挡放电等离子体激励新概念防/除冰方法因其没有复杂的机械构造和潜在的气动耗损,从而有潜力成为下一代飞行器采用的防/除冰方法。该综述从飞行过程中的结冰与防/除冰研究、等离子体空气动力与热激励特性研究、等离子体激励防/除冰研究等三个方面,对等离子体防/除冰方法的研究现状和发展趋势进行了分析,指出等离子体防/除冰研究的关键科学问题主要包括：1）以等离子体空气动力与热激励为主要因素的多物理场耦合机制;2）等离子体激励下多物理场非平衡相变演化规律与防/除冰机理。上述科学问题的研究包含了等离子体物理特性、流动控制机理、结冰机理、防/除冰规律等众多流体力学前沿方向,等离子体防/除冰研究的难点在于涉及多物理场耦合和多时间尺度,因此,相应的数值模拟方法与实验观测技术成为解决上述科学问题的关键突破点。探索等离子体激励防/除冰机制以及解决面向工程应用的技术问题,是下一步需要聚焦的研究方向。     

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.     

APPLICATION OF CFD TECHNOLOGY IN WIND TURBINE ICING PROBER DESIGN

A series of numerical methods, which are suitable to design the shape and configuration of the icing prober for the horizontal axis wind turbine, are presented. The methods are composed of a multiple reference frame （MRF） method for calculating flow field of air, a Lagrangian method for computing droplet trajectories, an Eulerian method for calculating droplet collection efficiency, and an arithmetic for fast computing ice accretion. All the numerical methods are based on the computational fluid dynamics （CFD） technology. After proposing the basic steps and ideas for the design of the icing detection system, the shape and configuration of the icing prober for a 1.5 MW horizontal axis wind turbine are then obtained with the methods. The results show that the numerical methods are efficient and the CFD technology plays an important role in the design process.     

复杂构型水滴收集率的拉格朗日计算方法

为了完善拉格朗日法在求解三维复杂外形液滴收集率的过程中存在的普适性缺陷,发展了一种鲁棒且高效的三维收集率计算方法。该方法中采用基于非平面交叉判定的粒子定向查找算法,实现了多面体网格下的水滴快速定位功能。基于笛卡儿网格自适应和壁面网格投影技术,克服了复杂迎风面收集率计算的困难。对比传统求解方式,具有算法复杂度低、计算效率高的优势。同时,利用径向基函数插值技术,改进了三维壁面收集率的表征方法。通过典型算例测试,计算结果与实验值误差均在15%以内,且在同等计算精度的条件下,计算所需的水滴轨迹数大幅减小。验证了该方法具备较高的准确性和良好的鲁棒性,能够为飞机结冰机理研究以及防除冰系统设计提供参考。     

3m×2m结冰风洞试验技术新进展(2020-2022年)

3 m×2 m结冰风洞是我国“十一五”国家重大科技基础设施,也是国际上尺寸最大的非季节性结冰风洞。自2013年建成以来,已经完成了70余项试验,有力支撑了我国飞机的自主研制和适航取证。本文首先介绍了3 m×2 m结冰风洞的组成和特点,其次重点阐述了2020年至2022年间风洞试验能力和试验技术的若干新进展,通过发展双闭环自适应温度控制技术、多路热气供气防除冰试验技术、冰形在线测量技术、发动机进气精确模拟技术、旋翼结冰与气动载荷同步测试技术等,使风洞的温度场模拟能力、热气防冰试验能力、冰形测量能力、进气模拟能力和直升机旋翼结冰试验能力得到增强,综合试验效率显著提升。最后,针对大型结冰风洞过冷大水滴试验面临的挑战,对下一步试验技术的发展进行了展望。     

基于梯度下降的水滴收集率计算方法

拉格朗日方法在计算三维复杂外形的水滴撞击特性时,一般需要通过插值获得物面网格上的水滴收集率,而这一过程容易造成计算结果失真。建立了一种基于梯度下降的水滴收集率计算方法,通过确定撞击物面网格角点的水滴轨迹实现物面网格中心处的水滴收集率计算,避免插值运算。该方法的计算思路如下：根据撞击点到目标点的距离,采用梯度下降法自适应地调控水滴的初始释放位置,使撞击点落在壁面网格角点附近的给定阈值范围内;采用邻点检索算法,快速确定迎风面内所有撞击网格角点的水滴轨迹;基于流管定义,计算出网格中心处的水滴收集率。采用该方法对典型三维外形的水滴收集率进行了计算,并与相关文献结果进行对比。结果显示计算结果与文献数据吻合良好,有效克服了现有技术中因插值导致的结果失真问题,能够为飞机结冰及防除冰技术研究提供参考。     

民用航空发动机进气道防冰系统设计方法研究

民用航空发动机进气道防冰系统为发动机在结冰条件下运行提供了安全保障,中国民航总局颁布的适航条款中对民用航空发动机在结冰环境中的运行也提出了安全性要求,但国内针对进气道防冰系统设计工作开展的研究较少,本文针对民用航空发动机进气道笛形管防冰系统的设计,介绍了国内外热气防冰系统的研究进展,阐述了进气道防冰系统的设计依据、设计方法、优化方法及试验验证方法,为民用航空发动机进气道防冰系统设计相关工作提供参考.     

基于机器学习的结冰风洞温度场预测

结冰风洞是开展飞行器结冰与防除冰研究的重要基础设施,其制冷系统通过调节压缩机吸气压力实现风洞内气流温度的精确控制,吸气压力控制及降温方式影响着风洞的试验效率。为实现压缩机吸气压力的准确预测,本文采用自适应粒子群算法优化后的支持向量回归（APSO–SVR）建立预测模型;在此基础上,利用多层感知机（MLP）神经网络建立分析模型,研究试验工况参数对风洞降温速率的影响。结果表明:压缩机吸气压力的预测值与试验值的平均绝对百分比误差（E_MAP）低于4%,均方误差（E_MS）低于0.003;影响风洞降温速率的工况参数主要有气流压力、试验风速、压缩机吸气压力和换热器出口初始温度,其中,压缩机吸气压力对降温速率的影响是最显著的。     

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.