結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴結(jié)冰條件模擬能力綜述

符 澄, 宋文萍, 彭 強(qiáng), 廖達(dá)雄, 王 超

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 西安 710072; 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴結(jié)冰條件模擬能力綜述

符 澄1,2,*, 宋文萍1, 彭 強(qiáng)2, 廖達(dá)雄2, 王 超2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 西安 710072; 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

結(jié)冰風(fēng)洞是進(jìn)行飛行器等結(jié)冰現(xiàn)象及防/除冰裝置研究的重要地面模擬設(shè)備。隨著過冷大水滴結(jié)冰現(xiàn)象對(duì)飛行性能及防除冰裝置設(shè)計(jì)影響的重要性日益顯現(xiàn)，以及過冷大水滴結(jié)冰條件適航標(biāo)準(zhǔn)的提出，亟需在結(jié)冰風(fēng)洞中發(fā)展SLD結(jié)冰條件的模擬能力。本文分析了CFR14-25部附錄O中所確定的SLD結(jié)冰條件及其對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞的相關(guān)模擬能力所提出的要求；介紹了目前國(guó)外幾座具有典型代表意義的結(jié)冰風(fēng)洞及氣動(dòng)中心的結(jié)冰風(fēng)洞在發(fā)展SLD結(jié)冰條件模擬能力方面所取得的成果及所面臨的問題。本文認(rèn)為過冷大水滴的產(chǎn)生及其與云霧顆粒在風(fēng)洞內(nèi)的湍流混合、超大尺度的水滴在氣流中的過冷以及寬滴譜范圍的顆粒度分布測(cè)量等問題，是在發(fā)展SLD結(jié)冰條件模擬能力方面所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心在發(fā)展結(jié)冰風(fēng)洞SLD模擬能力方面所采取的技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)解決方法。

結(jié)冰風(fēng)洞；過冷大水滴；顆粒度分布；關(guān)鍵技術(shù)；綜述

0 引 言

1994年10月31日，一架ATR72飛機(jī)在美國(guó)印第安納州Roselwan附近墜毀[1]。事故調(diào)查報(bào)告顯示，該機(jī)在約10 000英尺的高度，經(jīng)歷了約32min的結(jié)冰飛行，該機(jī)穿越的云層除包含典型的云霧顆粒外，還含有100～2000μm范圍的超大過冷水滴[2]。在這種含有超大過冷水滴的結(jié)冰環(huán)境中，過冷水滴會(huì)撞擊翼面并沿翼面向下游運(yùn)動(dòng)，在機(jī)翼表面形成皺狀的冰型，翼面上結(jié)冰的位置會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般云霧結(jié)冰條件的約20%的弦長(zhǎng)位置。由于過冷大水滴結(jié)冰條件具有更高的結(jié)冰速率及水滴收集效率，結(jié)冰位置也更靠后，因此對(duì)飛機(jī)的升、阻力特性及失速特性有嚴(yán)重影響，同時(shí)還降低了防/除冰裝置的效率，對(duì)飛機(jī)防冰裝置的設(shè)計(jì)帶來重大的影響[3-4]。

正是由于SLD(過冷大水滴)結(jié)冰條件對(duì)飛行安全帶來的重大影響，F(xiàn)AA(聯(lián)邦航空管理局)于2014年11月正式發(fā)布了飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在過冷大水滴條件下的適航要求，同時(shí)增加了附錄O，以定義新的結(jié)冰氣象條件，并將此作為對(duì)CFR(聯(lián)邦管理?xiàng)l例代碼)14-25部附錄C所規(guī)定的云霧結(jié)冰條件的補(bǔ)充[5-6]。

隨著新的適航條件的發(fā)布以及對(duì)SLD結(jié)冰條件下飛行器結(jié)冰狀態(tài)及防/除冰裝置的研究重要性的日益顯現(xiàn)，對(duì)SLD結(jié)冰條件的分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法也提出了新的挑戰(zhàn)。數(shù)值模擬和結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證結(jié)冰條件下飛行器氣動(dòng)性能及防除冰裝置效果的重要手段。其中，結(jié)冰風(fēng)洞通過在回路中配置噴霧系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)及高度模擬系統(tǒng)等，可以較真實(shí)的模擬在各種溫度、高度及飛行速度條件下的結(jié)冰條件，模擬的主要參數(shù)包括水滴中位體積直徑(MVD)及液態(tài)水含量(LWC)[7-11]，并要求上述模擬參數(shù)能基本涵蓋適航條件所規(guī)定的結(jié)冰氣象條件。根據(jù)NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)對(duì)現(xiàn)有的驗(yàn)證手段的比較，對(duì)于4大類、14小類、56種SLD結(jié)冰條件下的結(jié)冰問題，目前，數(shù)值模擬能解決約20種問題，能解決但受到條件限制的約16種，不能解決的有20種；結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芙鉀Q的問題有25種，能解決但受條件限制的有11種，暫不能解決的有20種，且結(jié)冰風(fēng)洞不能解決的SLD結(jié)冰問題中，凍雨條件占了80%[12]。

目前，結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)于解決三維結(jié)冰冰型預(yù)測(cè)、驗(yàn)證防除冰裝置效果、驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性等方面發(fā)揮著不可替代的作用[11-14]。但對(duì)于SLD結(jié)冰條件的模擬，特別是對(duì)于凍雨條件的模擬，結(jié)冰風(fēng)洞還存在著模擬能力缺失或不足、運(yùn)行包線有待擴(kuò)展等問題。因此，對(duì)現(xiàn)有的結(jié)冰風(fēng)洞的SLD結(jié)冰模擬能力進(jìn)行評(píng)估，并通過改造拓展其模擬能力是目前世界上幾個(gè)主要結(jié)冰風(fēng)洞研究機(jī)構(gòu)的重要研究方向。

本文通過對(duì)SLD結(jié)冰條件及國(guó)內(nèi)外結(jié)冰風(fēng)洞研究機(jī)構(gòu)在過冷大水滴結(jié)冰條件研究中取得的主要成果進(jìn)行研究，提出了氣動(dòng)中心在發(fā)展過冷大水滴結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)芰^程中所面臨的關(guān)鍵技術(shù)及解決措施。

1 過冷大水滴結(jié)冰條件分析

在云層中，一旦出現(xiàn)過冷大水滴，那么其應(yīng)該是與作為主體的云霧一起共存的。在云層與地面之間，一旦云霧粒子出現(xiàn)，則會(huì)趨向于合并成大顆?；蛟诘竭_(dá)地面之前蒸發(fā)掉，因此在云層之下的云霧粒子要少得多。CFR14-25部附錄O所定義的過冷大水滴包含了所有最大顆粒大于100μm的結(jié)冰氣象條件；CFR14-25部附錄C所定義的云霧結(jié)冰條件中的水滴顆粒是小于100μm的。這2個(gè)條件結(jié)合起來，定義了包含SLD在內(nèi)的幾乎所有結(jié)冰環(huán)境。描述SLD結(jié)冰條件的參數(shù)包括：溫度、壓力(高度)、LWC、MVD、顆粒度分布特性及水平結(jié)冰距離。

防冰協(xié)調(diào)工作組(IPHWG)基于FAA和EC/NASA獲得的2444條過冷大水滴實(shí)際飛行測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)水滴的形成機(jī)理及顆粒粒徑范圍，將過冷大水滴結(jié)冰條件分為凍毛毛雨(FZDZ)狀態(tài)及凍雨(FZRA)狀態(tài)，如表1所示，圖1給出了4種狀態(tài)下的累積質(zhì)量-粒徑顆粒度分布特性。Dmax小于500μm的為凍毛毛雨?duì)顟B(tài)，Dmax大于500μm的為凍雨?duì)顟B(tài)，500μm是氣象學(xué)上區(qū)分毛毛雨和雨的界限。這2種情況又可以進(jìn)一步各自被分成2種狀態(tài)：MVD小于或大于40μm的狀態(tài)。

表1 附錄O中對(duì)SLD狀態(tài)的定義Table 1 Definition of SLD condition in Appendix O

FZDZ和FZRA條件中，在MVD小于40μm的狀態(tài)下，顆粒分布特性中，10～20μm的顆粒占據(jù)主導(dǎo)地位；FZDZ條件中，在MVD大于40μm狀態(tài)下，顆粒分布中，200～300μm的顆粒占據(jù)主導(dǎo)地位； FZRA條件中，在MVD大于40μm狀態(tài)下，顆粒分布中，700～800μm的顆粒占據(jù)主導(dǎo)地位。

不同狀態(tài)的SLD顆粒的形成機(jī)理有經(jīng)典的，如融化和再過冷；也有非經(jīng)典的，如冷凝及碰撞-聚合機(jī)理。對(duì)于FZDZ，88%的狀態(tài)來自于非經(jīng)典機(jī)理；對(duì)于FZRA，92%的狀態(tài)來自于經(jīng)典機(jī)理[2]。這表明，F(xiàn)ZDZ條件和FZRA條件在形成機(jī)理上有根本的不同。平均顆粒分布特性曲線和獨(dú)立數(shù)據(jù)曲線表明，4種狀態(tài)具有很強(qiáng)的獨(dú)立性，因此能共同覆蓋SLD環(huán)境。

SLD結(jié)冰條件中，4種狀態(tài)獨(dú)立的顆粒度分布特性對(duì)在結(jié)冰風(fēng)洞中模擬SLD結(jié)冰條件提出了挑戰(zhàn)：即SLD的模擬條件并不像云霧結(jié)冰條件那樣，只需要滿足MVD相同即可，而是需要在很寬的范圍內(nèi)，使得試驗(yàn)段內(nèi)的水滴顆粒度分布盡量與這4條滴譜曲線相吻合。4種SLD結(jié)冰條件的粒徑-質(zhì)量分布特性表現(xiàn)出顯著的“雙峰”特性，如圖2所示。這就對(duì)在結(jié)冰風(fēng)洞中使用霧化噴嘴模擬顆粒分布的狀態(tài)提出了特殊的要求。

2 結(jié)冰風(fēng)洞SLD模擬能力發(fā)展?fàn)顩r

目前世界上有大大小小的結(jié)冰風(fēng)洞數(shù)十座，受限于風(fēng)洞的尺寸及用途，目前具備或正在發(fā)展SLD結(jié)冰模擬能力的典型的風(fēng)洞設(shè)備主要有：美國(guó)NASA蘭利中心的結(jié)冰研究風(fēng)洞(IRT)、意大利航天研究中心(CIRA)的結(jié)冰風(fēng)洞(IWT)及加拿大國(guó)家研究委員會(huì)NRC的高度模擬結(jié)冰風(fēng)洞(AIWT)以及中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)的結(jié)冰風(fēng)洞。此外還有一些尺度較小的結(jié)冰風(fēng)洞也具備部分FZDZ結(jié)冰條件模擬的潛力。

2.1 NASA蘭利結(jié)冰研究風(fēng)洞

IRT是1座回流式結(jié)冰風(fēng)洞。試驗(yàn)段尺寸為2.7m(寬)×1.8m(高)×6.1m(長(zhǎng))，氣流溫度-40～20℃，最高風(fēng)速約179m/s。該風(fēng)洞于1999年對(duì)換熱器進(jìn)行了改造，于2006年對(duì)噴霧系統(tǒng)及噴霧排架、噴嘴進(jìn)行了改造和更換。通過在噴霧排架上安裝標(biāo)準(zhǔn)型及Mod1型2種不同型號(hào)的空氣霧化噴嘴，并通過降低Mod1型噴嘴工作氣壓的方法，使得該風(fēng)洞具備了SLD結(jié)冰條件的模擬能力[15-18]。圖3給出了該風(fēng)洞的平面布局。

2012及2014年的風(fēng)洞云霧場(chǎng)校測(cè)結(jié)果表明，該風(fēng)洞在使用標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴時(shí)，能較全面地模擬附錄C所給出的云霧條件，僅對(duì)極低的LWC條件的模擬還有一定的困難。試驗(yàn)段的LWC均勻性可達(dá)到±10%以內(nèi)。

IRT使用1種噴嘴，即Mod1型噴嘴來實(shí)現(xiàn)對(duì)SLD結(jié)冰條件的模擬。在MVD的模擬能力方面，目前最高可以模擬MVD=230μm的狀態(tài)，但由于顆粒度測(cè)量設(shè)備的粒徑測(cè)量范圍、風(fēng)洞尺度對(duì)水滴過冷度的影響等因素的制約，該風(fēng)洞實(shí)際只能模擬FZDZ結(jié)冰條件的狀態(tài)。此外，由于只使用了1種噴嘴，該風(fēng)洞試驗(yàn)段的液滴顆粒度分布不能精確模擬附錄O所要求的顆粒度分布特性，而僅能滿足MVD和Dmax的模擬要求。圖4給出了該風(fēng)洞在2014年校測(cè)試驗(yàn)中獲得的FZDZ顆粒度分布特性與附錄O的比較。

2.2 意大利CIRA結(jié)冰風(fēng)洞

2002年建成的意大利航天研究中心結(jié)冰風(fēng)洞IWT是1座回流式結(jié)冰風(fēng)洞，擁有3個(gè)可更換的試驗(yàn)段。該風(fēng)洞具備0～7000m的高度模擬能力。該風(fēng)洞用了4年的時(shí)間完成了云霧結(jié)冰條件的調(diào)試及校測(cè)工作，云霧模擬能力能完全覆蓋附錄C所確定的包線要求[19]。

在IWT發(fā)展的初期，該風(fēng)洞就提出了對(duì)大粒徑狀態(tài)的模擬要求，要求能模擬MVD=50～300μm的結(jié)冰條件。隨著SLD結(jié)冰條件的不斷明確，該風(fēng)洞開始針對(duì)SLD結(jié)冰條件的模擬展開研究，至2012年，該風(fēng)洞初步具備了FZDZ結(jié)冰條件、最大MVD約為200μm、最大LWC為0.8g/m3的模擬能力，如圖5所示。

值得一提的是，在對(duì)噴霧系統(tǒng)的改造過程中，該風(fēng)洞對(duì)原有的大粒徑噴嘴進(jìn)行了改進(jìn)，降低了水流量，并采用小顆粒和大顆粒噴嘴組合噴射的形式，通過調(diào)整兩型噴嘴的開啟數(shù)量比，在試驗(yàn)段形成具有雙峰分布特性的過冷大水滴顆粒群。通過結(jié)合相位多普勒干涉儀(PDI)、Marlven粒度儀、光學(xué)陣列測(cè)量?jī)x(OAP)等顆粒度測(cè)量設(shè)備，對(duì)試驗(yàn)段的顆粒度分布特性進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，采用組合噴射的方法，能很好地改善3～80μm區(qū)間內(nèi)的顆粒度分布特性，整體的顆粒度分布特性更加趨近于附錄O所確定的滴譜曲線。

2.3 NRC 結(jié)冰風(fēng)洞AIWT

隸屬于加拿大國(guó)家研究委員會(huì)的AIWT結(jié)冰風(fēng)洞是1座豎回流的小型結(jié)冰風(fēng)洞。試驗(yàn)段截面尺寸為0.55m×0.57m，最高風(fēng)速約180m/s，風(fēng)洞具備0～9100m的高度模擬能力[20]。

該風(fēng)洞采用2套噴嘴系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)SLD結(jié)冰條件的模擬，小粒徑噴嘴和大粒徑噴嘴各有1套獨(dú)立的供水、供氣系統(tǒng)。在SLD結(jié)冰條件模擬能力的發(fā)展過程中，該風(fēng)洞研究人員首先使用計(jì)算的方法，模擬了2種呈Langmulr D分布的噴嘴聯(lián)合噴射所得到的顆粒度分布特性，并與附錄O的曲線進(jìn)行比較，得到了非常逼近于附錄O曲線的計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，在風(fēng)洞中進(jìn)行了組合噴射的驗(yàn)證工作。通過比對(duì)Marlven粒度儀的測(cè)量結(jié)果與附錄O的曲線，通過不斷調(diào)節(jié)噴嘴的供水、供氣壓力，較好地實(shí)現(xiàn)了與FZDZ條件的相吻合雙峰分布特性，如圖6所示。

但受限于大粒徑噴嘴所能產(chǎn)生的最大水滴顆粒直徑，與FZRA條件的吻合程度較差。此外，由于風(fēng)洞尺寸較小，大顆粒不能完全過冷，因此，在該風(fēng)洞中去模擬FZRA條件也是沒有意義的。

Fig.6 FZDZ simulation and calibration results in NRC icing wind tunnel

2.4 其他國(guó)外結(jié)冰風(fēng)洞

Cox結(jié)冰風(fēng)洞是1座回流式結(jié)冰風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面尺寸為0.71m×1.17m，受限于風(fēng)洞的尺寸，該風(fēng)洞僅發(fā)展了云霧結(jié)冰模擬的能力。該風(fēng)洞在2008年經(jīng)改造后，具備了混合冰晶云霧結(jié)冰條件的模擬能力，該風(fēng)洞具備發(fā)展FZDZ結(jié)冰模擬條件的潛力。Goodrich結(jié)冰風(fēng)洞是1座試驗(yàn)段截面尺寸為0.55m×1.1m的回流式結(jié)冰風(fēng)洞，該風(fēng)洞使用跟蘭利中心結(jié)冰研究風(fēng)洞同樣的噴嘴，同樣具備發(fā)展FZDZ結(jié)冰模擬條件的潛力。此外，歐洲的Braunschweig結(jié)冰風(fēng)洞也發(fā)展了混合冰晶云霧結(jié)冰模擬能力，并且正在進(jìn)行SLD結(jié)冰條件中FZDZ條件的能力拓展[21-24]。

2.5 CARDC結(jié)冰風(fēng)洞

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心結(jié)冰風(fēng)洞是1座回流式亞聲速結(jié)冰風(fēng)洞。該風(fēng)洞擁有3個(gè)可更換的試驗(yàn)段，其中主試驗(yàn)段截面尺寸為3m(寬)×2m(高)，試驗(yàn)段最高風(fēng)速為210m/s，模擬高度0～20 000m，溫度范圍-40℃～常溫。該風(fēng)洞目前已經(jīng)具備了結(jié)冰云霧模擬的能力，云霧顆粒MVD模擬范圍為10～50μm，液態(tài)水含量范圍為0.2～3g/m3。

該風(fēng)洞在設(shè)計(jì)之初即提出了最高M(jìn)VD為300μm的過冷大水滴模擬能力的要求。在發(fā)展過程中，對(duì)噴嘴進(jìn)行了研制，獲得了最高M(jìn)VD為150μm、具有單峰分布特性的大粒徑噴嘴，但距離SLD結(jié)冰條件所需要的大顆粒水滴的MVD要求還有很大的差距；采用數(shù)值模擬的方法對(duì)大水滴在試驗(yàn)段內(nèi)的覆蓋范圍、過冷度及液態(tài)水含量的均勻性進(jìn)行了模擬[10-11,25]。圖7給出了過冷大水滴條件下風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的液態(tài)水含量均勻性模擬結(jié)果。上述模擬所采用的顆粒尺度、噴嘴霧化特性等離真實(shí)的模擬條件還有較大的差距。隨著SLD結(jié)冰條件適航標(biāo)準(zhǔn)的頒布，原有的技術(shù)要求、研究成果等已不能滿足該風(fēng)洞在發(fā)展SLD模擬能力方面的需求。

3 面臨的問題及解決方法

在結(jié)冰風(fēng)洞中，可以通過調(diào)節(jié)噴嘴的水流量、風(fēng)洞內(nèi)的壓力及溫度、風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間等條件，來實(shí)現(xiàn)SLD結(jié)冰模擬中對(duì)LWC、高度及水平積冰距離等條件的模擬。氣動(dòng)中心結(jié)冰風(fēng)洞發(fā)展SLD結(jié)冰模擬能力所面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)包括：過冷大水滴的產(chǎn)生及其與云霧顆粒在風(fēng)洞內(nèi)的湍流混合問題、超大尺度的水滴在氣流中的過冷、沉降問題以及寬滴譜范圍的顆粒度分布測(cè)量問題。

3.1 大水滴的產(chǎn)生及顆粒的湍流混合問題

為滿足SLD結(jié)冰條件中滴譜的雙峰分布特性要求，行之有效的方法以及難點(diǎn)就是在結(jié)冰風(fēng)洞中使用2種具有單集中度分布特性、粒徑范圍不同的噴嘴混合噴射，通過在穩(wěn)定段、收縮段中的湍流混合，從而在下游的試驗(yàn)段形成具有“雙峰”特性的顆粒度分布，且這一具備“雙峰”分布特性的水滴顆粒的滴譜需要跟SLD條件中的滴譜相吻合。小粒徑、大粒徑2種噴嘴噴出的顆粒群在湍流混合過程中的碰撞-聚合，會(huì)對(duì)下游顆粒度分布造成影響。因此，很難利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)噴霧段下游真實(shí)的顆粒度分布特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，位于噴霧排架不同位置上的、類型不同的噴嘴混合噴射所形成的混合顆粒群，到達(dá)下游試驗(yàn)段時(shí)，在截面上形成的液態(tài)水含量、平均粒徑等的分布均勻性也是很難預(yù)測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

主要解決措施為：(1) 通過對(duì)噴嘴的性能包線進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，擬合出噴嘴粒徑、流量特性與供水、供氣壓差之間的關(guān)系，通過噴霧系統(tǒng)水、氣壓力的精確調(diào)節(jié)，精確控制每種噴嘴所噴射出水滴的粒徑及總流量。(2) 開展空氣輔助霧化的大粒徑噴嘴的研制，大粒徑噴嘴的MVD范圍應(yīng)在100～500μm之間，Dmax應(yīng)達(dá)到2000μm左右，噴嘴在各個(gè)MVD條件下均應(yīng)具備明顯的單峰分布特性。通過調(diào)節(jié)水、氣路節(jié)流孔的尺寸及混合腔的尺寸配置來實(shí)現(xiàn)大粒徑噴嘴的性能需求。(3) 通過對(duì)SLD結(jié)冰條件中的大、小顆粒群的顆粒度分布特性進(jìn)行研究，獲得大、小顆粒群的平均粒徑、顆粒集中度參數(shù)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)混合霧場(chǎng)中的連續(xù)相和離散相進(jìn)行模擬，獲得接近真實(shí)情況的顆?；旌戏植继匦裕辉趪婌F實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)霧場(chǎng)的混合特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。(4) 采用增加來流湍流度、調(diào)整噴嘴的數(shù)量及布局、改變噴嘴的噴射流量等方法，提高顆?；旌系木鶆蛐约八@得的混合分布特性與目標(biāo)曲線的吻合度。

3.2 大水滴的過冷及沉降問題

在結(jié)冰風(fēng)洞中，在水滴的Dmax≤500μm條件下，所有液滴顆粒在到達(dá)試驗(yàn)段后即可達(dá)到完全過冷(液滴溫度與氣流溫度相同)。但在FZRA條件下，由于液滴顆粒增大，從噴嘴噴出的水滴所需要的完全過冷的時(shí)間(或距離)大大增加?，F(xiàn)有的風(fēng)洞設(shè)備從噴霧段到試驗(yàn)段的長(zhǎng)度，均很難滿足更大的水滴完全過冷的要求。若增加噴霧段至試驗(yàn)段之間的距離以滿足大顆粒液滴的過冷要求，又會(huì)帶來顆粒沉降造成的均勻性變差的問題。因此，結(jié)冰風(fēng)洞能完全過冷的最大的液滴顆粒實(shí)際上就決定了該風(fēng)洞SLD結(jié)冰條件模擬范圍。

主要解決措施為：(1) 通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同尺寸的顆粒在不同氣流溫度、速度、壓力及濕度條件下的過冷距離進(jìn)行研究，確定能完全過冷的水滴直徑上限。(2) 對(duì)不同粒徑的顆粒在風(fēng)洞回路中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行模擬，獲得不同顆粒的沉降量及其對(duì)截面液態(tài)水含量均勻性的影響。(3) 在噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過降低供水溫度來降低液滴進(jìn)入氣流時(shí)的初始溫度，從而縮短過冷距離。(4) 通過改進(jìn)噴霧系統(tǒng)管路的防凍措施來解決水溫降低帶來的管路及噴嘴結(jié)冰堵塞的問題。(5) 通過調(diào)節(jié)噴嘴在噴霧排架上的數(shù)量和間距，解決由于顆粒沉降帶來的試驗(yàn)段均勻區(qū)偏下的問題。

3.3 顆粒度的準(zhǔn)確測(cè)量問題

SLD結(jié)冰條件的滴譜中，最小的液滴顆粒為5μm，最大的液滴顆粒為2229μm；使用2種噴嘴混合噴射所獲得的混合顆粒群的顆粒范圍大約在1～2000μm左右，如此寬的顆粒度分布范圍給顆粒分布的精確測(cè)量帶來很大的難度。通常所使用的顆粒粒徑測(cè)量的儀器主要有PDI、Marlven激光粒度儀和OAP等。此類顆粒度測(cè)量設(shè)備受鏡頭焦距、激光功率等的限制，在進(jìn)行顆粒粒徑測(cè)量時(shí)，均有一定的量程范圍。目前，還沒有哪一種上述設(shè)備能做到在結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境中，在一次測(cè)量中完全獲得1～2000μm的準(zhǔn)確的顆粒分布數(shù)據(jù)。

主要解決措施為：(1) 使用相位多普勒干涉儀和激光光散射粒度儀，通過分段測(cè)試，分別完成小粒徑范圍和大粒徑范圍的顆粒粒徑分布測(cè)試，再通過數(shù)據(jù)擬合的方法，形成完整的顆粒度分布特性測(cè)量結(jié)果。(2) 采用同一測(cè)量設(shè)備，如PDI，通過配備不同的發(fā)射和接受鏡頭的焦距(300，500，1000和2000mm)，對(duì)顆粒分布進(jìn)行分段測(cè)量。(3)對(duì)不同粒度測(cè)試設(shè)備、鏡頭配置所獲得的顆粒度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，選取最適用于結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境的顆粒度測(cè)量方法。

4 結(jié)束語

通過對(duì)SLD結(jié)冰條件、國(guó)內(nèi)外結(jié)冰風(fēng)洞SLD結(jié)冰條件的模擬能力的發(fā)展現(xiàn)狀及所遇到的問題進(jìn)行分析和研究，可以對(duì)我國(guó)結(jié)冰風(fēng)洞發(fā)展SLD結(jié)冰模擬能力有以下幾點(diǎn)啟示：

(1) 需要對(duì)現(xiàn)有的結(jié)冰風(fēng)洞設(shè)備進(jìn)行能力評(píng)估，確定其具備的發(fā)展SLD結(jié)冰模擬能力與適航要求之間的差距，新建結(jié)冰風(fēng)洞則需在設(shè)計(jì)過程中考慮SLD的模擬需求；

(2) 采用混合噴霧的方式實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段顆?！半p峰”分布是準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)SLD結(jié)冰條件的有效途徑，在實(shí)現(xiàn)過程中，需要重點(diǎn)解決大顆粒的產(chǎn)生及混合均勻性、超大顆粒水滴的過冷及沉降、顆粒度準(zhǔn)確測(cè)量等問題；

(3) 結(jié)冰風(fēng)洞SLD結(jié)冰條件的模擬難度大，模擬條件復(fù)雜，國(guó)外成熟的結(jié)冰風(fēng)洞設(shè)備也均在起步階段，需要進(jìn)一步跟蹤研究，以便為我國(guó)結(jié)冰風(fēng)洞相關(guān)能力的發(fā)展提供技術(shù)儲(chǔ)備。

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(編輯：楊 娟)

An overview of supercooled large droplets icing condition simulation capability in icing wind tunnels

Fu Cheng1,2,*, Song Wenping1, Peng Qiang2, Liao Daxiong2, Wang Chao2

(1. School of Aeronautics, Northwest Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

The icing wind tunnel is the most important ground facility in the research of ice accretion tests and the ice anti/protection devices design of airplanes. With the increasing importance of the supercooled large droplets ice accretions on the airplane surface and the development of the SLD airworthiness, the SLD icing condition simulation capability need to be developed in the icing wind tunnel. This paper presents the analysis results of the SLD icing condition in CFR14-25 Appendix O and the requirements of the SLD condition simulation in the icing wind tunnel. The developing status and the key problems of SLD icing condition simulation capabilities in several icing wind tunnels, such as IRT and CIRA-IWT are also presented. The three main key problems in the development of the SLD icing condition capability in the icing wind tunnel are the generation of large water droplets and it’s turbulent mixing characteristics with the cloud in wind tunnel, the supercool process of large drops and the drop spectra accurate measurement in wide bands. The development roadmap and the key technology solution method of SLD icing condition simulation capability of icing wind tunnel of CARDC are presented in the end of this paper.

icing wind tunnel;supercooled large droplets;drop size distribution;key technology;overview

1672-9897(2017)04-0001-07

10.11729/syltlx20160118

2016-07-27;

2016-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(11172314,11472296)

FuC,SongWP,PengQ,etal.Anoverviewofsupercooledlargedropletsicingconditionsimulationcapabilityinicingwindtunnels.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 1-7. 符 澄, 宋文萍, 彭 強(qiáng), 等. 結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴結(jié)冰條件模擬能力綜述. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(4): 1-7.

V211.73

A

符 澄(1982-)，男，江蘇如東人，工程師。研究方向：風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)。通信地址：四川綿陽(yáng)二環(huán)路南段6號(hào)14分箱(621000)。E-mail:fucheng111@sina.com

*通信作者 E-mail: fucheng111@sina.com