考虑动力学效应的结冰试验相似准则修正方法

结冰相似准则是将飞行条件转换为试验参数的重要理论方法,然而现有的相似准则多基于小水滴结冰过程而提出,其在应用于大水滴的相似转换时会出现较大偏差。针对这一现状,开展考虑水滴动力学特性的结冰相似准则研究。首先,基于ONERA相似准则,融入关于水滴变形破碎和飞溅动力学特性的相似参数,提出了修正的结冰相似准则;其次,基于这两种相似准则,采用数值模拟的方法计算获得了修正前后的收集系数,并对比验证了修正方法的有效性;最后,分析两种修正方法得到的试验参数随尺寸缩比的变化情况,给出了所修正的相似准则在结冰试验中的应用建议。结果表明,本文修正方法提高了局部收集系数的吻合度,降低了收集系数平均误差和撞击极限误差,且应用该准则得到的缩比试验参数在结冰风洞的设计范围之内。该修正方法可以为过冷大水滴结冰风洞试验相似变换提供指导。     

过冷大水滴规章对结冰探测系统设计的影响分析

过冷大水滴规章提高了飞机在结冰条件下飞行的安全等级,将会对结冰探测系统的设计产生一定影响。本文概述了附录0过冷大水滴结冰条件,并对附录O第1部分大气结冰条件进行了浅析;分析了FAR25．1420过冷大水滴结冰条件对结冰探测系统设计的影响,并提出符合相关要求的结冰探测方式;指出了对于目前申请在结冰条件下飞行的合格审定的最大起飞重量小于60000磅或具有可逆飞行控制系统的飞机,按照FAR25．1420（a）（1）的要求进行审定是一个较为合适的选择。此外,还给出了一种符合FAR25．1420要求的结冰探测系统方案。     

变形破碎特性对SLD结冰过程影响

基于结冰过程数值模拟,针对过冷大水滴（SLD）条件下的变形破碎特性及其对成冰过程影响进行了研究。利用动态阻力计算模型,分析了水滴变形对水滴运动轨迹影响,采用基于泰勒类比理论的计算模型,研究了水滴破碎过程、子液滴粒径分布特性等。完成了NACA 0012翼型典型SLD结冰算例的数值分析,与参考文献计算结果和实验数据进行对比。结果表明:对于SLD结冰,变形和破碎主要改变了水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,在加入变形破碎特性的计算模型后,可以较好预测结冰极限位置和冰形轮廓,说明该方法对SLD变形破碎效应及其影响的模拟是可行和正确的。      

基于Mie散射理论的水滴平均直径测量

冰风洞实验时,为了更精确地模拟实验环境,需要精确测量喷头喷出水滴的直径,为此,开发了一套激光束发射装置并基于Mie散射理论编制了水滴直径计算程序.在水滴流场的环境中,激光束发生散射,间隔Δt的时间反复实验获得多个时刻的散射光强分布图.应用自行开发的计算程序对已获得的多组散射光强分布图进行计算处理,得到同一截面不同时刻的多组水滴平均直径.利用Newton插值法对上述多组水滴平均直径进行插值,拟合出不同时刻水滴直径的连续变化曲线,对该曲线求积分平均值,获得该截面水滴的平均直径.为检验实验装置和计算程序的准确性,对某加湿器喷水系统进行实验测量,测量结果与产品说明中提供的数据吻合良好,表明该测量装置和计算程序可行.     

二维翼型大尺寸过冷水滴撞击特性及冰形分析

基于现有大尺寸过冷水滴(supercooled large droplet, SLD)动力学特性,分析水滴变形对阻力的影响.并根据几种典型的反弹/飞溅模型,分析了SLD的阻力变化、反弹、飞溅等对水滴撞击特性的影响,采用软件FENSAP-ICE的飞溅模型和LEWICE 2.0的反弹模型研究了反弹及飞溅现象对冰形的影响.计算结果显示:水滴撞击前的破碎现象对水滴尺寸分布有较大的影响,进行撞击特性以及冰形计算的时候需进行考虑;SLD破碎、飞溅、反弹降低了局部水收集系数、减小了水滴撞击范围;飞溅现象主要发生在机翼前缘附近区域,反弹主要在撞击边缘区域;水滴直径增加,飞溅现象逐渐减弱,但边缘位置的反弹现象一直很明显.SLD变形带来的阻力影响对冰形及结冰区域影响很小;与未考虑飞溅及反弹现象得到的冰形比较,考虑飞溅及反弹得到冰形前缘区域形状变化不大,但是整体结冰区域减小.      

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。     

水滴撞击特性参数的动态图像测量方法

以染色法为基本原理,实验采集试件表面不同位置的染色过程视频.通过对视频数据的分析获取试件表面色度随时间增长的时序信号.实验过程可以划分为欠饱和区、平衡区和过饱和区.平衡区的比色值分布即为局部水收集系数分布的归一化结果.通过比色积分曲线的极限行为确定水滴撞击极限和总收集系数与最大局部水收集系数的比值.将实验结果与数值仿真结果和NASA(美国国家航空航天局)实验结果对比表明:水滴撞击特性参数与动态视频图像的RGB(rad-green-blue)色度空间可以建立较好的关联,实验重复性误差率小于±15%;水滴撞击特性参数之间存在内在关联.      

发动机进气道水滴撞击特性分析

针对某发动机进气道的防冰系统设计,对进气道的水滴撞击特性进行了研究.在对进气道流场进行计算的基础上,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数;此外,还研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响;研究发现水滴撞击极限、总收集系数和局部水收集系数随飞行速度的减小、飞行高度的增加或者水滴半径的增加而增大.这些为进气道的防冰系统设计奠定了基础.     

过冷水滴撞击结冰表面的数值模拟

为了计算过冷水滴撞击结冰表面,本文应用雷诺平均Navier-Stokes方程和k-ε两方程紊流模型计算结冰表面外的空气流场。用欧拉法建立了空气中过冷水滴的运动方程,并采用有限控制容积法对方程进行了数值计算。为了提高计算精度,方程中的对流—扩散项采用MUSCL格式进行了离散。计算结果表明过冷水滴的大小和机翼攻角的变化对结冰区的大小和水收集系数的影响很大。      

大水滴撞击壁面的动态特性数值模拟

采用 VOF 方法建立了大水滴撞击壁面的计算模型,模拟了大水滴以不同直径、不同速度撞击光滑壁面的动态撞击过程和撞击特性。计算结果表明：在大韦伯数情况下,水滴撞击光滑壁面会在铺展过程中发生边缘水滴飞溅;在水滴撞击壁面的收缩阶段,随着水滴直径的减小和水滴速度的提高,会发生液膜缓慢收缩、边缘液环和液膜分离、中心处部分液膜和边缘液膜分离、液膜完全破裂等不同结果;当水滴直径和撞击速度增大时,同一时刻水滴的铺展半径、最大铺展半径、最大铺展系数增大;水滴在壁面上达到最大铺展系数所用的无量纲时间随水滴直径增大而增大,同一直径水滴不同初始速度下达到最大铺展系数所用的无量纲时间变化较小。