噴霧系統(tǒng)特性的實(shí)驗(yàn)研究

趙斌 白鵬博

摘 要：風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)是研究飛行器結(jié)冰現(xiàn)象和防/除冰裝置性能的重要試驗(yàn)項(xiàng)目，噴霧系統(tǒng)是風(fēng)洞開展結(jié)冰試驗(yàn)的核心設(shè)備。本文以冰云試驗(yàn)所使用的噴霧系統(tǒng)為研究對(duì)象，搭建了模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展研究。應(yīng)用激光多普勒測(cè)霧儀進(jìn)行云霧粒徑測(cè)量，通過不同供水壓力、供氣壓力、氣流速度條件下的組合實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了冰云試驗(yàn)所需的云霧粒徑（10μm～50μm），研究了噴霧粒徑與各項(xiàng)參數(shù)的影響關(guān)系。結(jié)果表明：水壓、氣壓對(duì)噴霧參數(shù)的影響顯著，液滴平均直徑MVD隨供氣壓力的增加而減小。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰風(fēng)洞;噴霧系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)研究;云霧參數(shù)

引言

風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)可用于研究飛行器結(jié)冰現(xiàn)象和防/除冰裝置性能。結(jié)冰風(fēng)洞設(shè)備一般由洞體構(gòu)件形成回流式風(fēng)道，通過動(dòng)力系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在試驗(yàn)段形成指定的飛行環(huán)境條件，噴霧系統(tǒng)在試驗(yàn)段模擬云霧環(huán)境條件。云霧環(huán)境參數(shù)中液態(tài)水含量、平均水滴直徑是最為重要的參數(shù)，而這些參數(shù)的調(diào)節(jié)依賴于噴霧系統(tǒng)，因此噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)冰風(fēng)洞來說很關(guān)鍵。國(guó)外開展結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究較早，美國(guó)NASA格林研究中心結(jié)冰風(fēng)洞（IRT）、意大利航天研究中心結(jié)冰風(fēng)洞、美國(guó)LeClerc結(jié)冰實(shí)驗(yàn)室的Cox結(jié)冰風(fēng)洞均是世界著名的結(jié)冰風(fēng)洞。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心CARDC也建設(shè)了一座3m×2m量級(jí)的亞聲速結(jié)冰風(fēng)洞。近年來結(jié)冰噴霧方向的研究呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的易賢[1]等對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞水滴直徑及水滴結(jié)冰分布進(jìn)行了研究，符澄[2]等對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境下的噴嘴霧化特性進(jìn)行了研究，陳旦[3]等對(duì)于噴霧系統(tǒng)的的控制策略進(jìn)行了研究。

本文通過搭建噴霧系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)噴霧系統(tǒng)的云霧參數(shù)影響因素進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了氣壓、水壓、風(fēng)速對(duì)云霧參數(shù)的影響。

1.實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

噴霧系統(tǒng)由以下幾部分組成：風(fēng)源設(shè)備、供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、噴霧耙、測(cè)量系統(tǒng)。

風(fēng)源設(shè)備如圖1所示，包含了動(dòng)力源風(fēng)機(jī)、風(fēng)道等，可實(shí)現(xiàn)不同的風(fēng)速要求。

動(dòng)力源風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量40m?/s，可實(shí)現(xiàn)出口最大風(fēng)速40m/s，風(fēng)機(jī)后接圓變方轉(zhuǎn)接段、穩(wěn)定段，穩(wěn)定段內(nèi)安裝蜂窩器、阻尼網(wǎng)以及噴霧耙，穩(wěn)定段截面尺寸為1600mm×1600mm;試驗(yàn)段尺寸為500mm×500mm，通過收縮段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定段到試驗(yàn)段的平滑過渡。

供水系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)原理圖如圖2所示：

供水系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓罐、調(diào)節(jié)閥（包括粗調(diào)和精調(diào)）、流量計(jì)、微型電磁閥等設(shè)備組成。供水方式采用壓力供水，穩(wěn)壓罐與空壓機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓罐內(nèi)水壓恒定的目的。供水主管路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓的粗調(diào)節(jié)，每個(gè)噴霧耙供水入口處設(shè)置調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)噴嘴供水壓力的精確調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)閥、壓力表以及流量計(jì)，供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴嘴供水壓力、流量的調(diào)節(jié)。

供水系統(tǒng)設(shè)置回水管路，即供水管路在噴霧耙內(nèi)穿過后到達(dá)噴霧耙外，在回水管路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥和壓力表，實(shí)現(xiàn)供水管路的背壓調(diào)節(jié)，該路用于研究不同水壓控制方式對(duì)于壓力穩(wěn)定時(shí)間的影響。

供氣系統(tǒng)由空壓機(jī)、調(diào)節(jié)閥（包括粗調(diào)和精調(diào)）、流量計(jì)以及相應(yīng)管道設(shè)備組成。供氣系統(tǒng)在主管路和支路上分別設(shè)置粗調(diào)節(jié)閥門和精調(diào)閥門，實(shí)現(xiàn)噴嘴供氣壓力的精確調(diào)節(jié)。

噴霧耙設(shè)計(jì)為NACA0024翼型。內(nèi)部設(shè)置供氣管道、供水管道、信號(hào)線管道、微型電磁閥。噴霧耙內(nèi)的供水管道在每個(gè)噴嘴前設(shè)置一個(gè)微型電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)噴嘴啟閉的控制。

水、氣的壓力參數(shù)通過量程0.1～1.0MPa的高精度壓力傳感器測(cè)量，流量參數(shù)通過電磁流量計(jì)測(cè)量。

測(cè)霧儀采用美國(guó)Artium公司TK1系列測(cè)霧儀，該系列測(cè)霧儀測(cè)量粒徑范圍為1.5～300μm，可以滿足噴霧系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)量需求。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

噴霧系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為冰云模擬試驗(yàn)所用的DS988系列噴嘴，分別進(jìn)行風(fēng)速20m/s、30m/s、40m/s三種風(fēng)速工況試驗(yàn)，每種風(fēng)速工況試驗(yàn)下供水壓力1～5bar、供氣壓力0.5～7bar，有選擇的對(duì)不同水壓、氣壓進(jìn)行試驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)供水管路以及供氣管路中設(shè)置的粗調(diào)節(jié)閥及精調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水壓力和供氣壓力的精確調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過程如下：

a）儲(chǔ)水罐注水;

b）連接測(cè)霧儀，檢查測(cè)霧儀連接是否完好;

c）連接壓縮空氣，打開空壓機(jī)，使壓縮空氣緩沖罐及儲(chǔ)水罐壓力達(dá)到預(yù)定值;

d）開啟風(fēng)機(jī)，采用熱線風(fēng)速儀測(cè)量噴口風(fēng)速，調(diào)節(jié)點(diǎn)擊頻率至噴口風(fēng)速達(dá)到預(yù)定值;

e）打開供水系統(tǒng)以及供氣系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)供水壓力、供氣壓力至設(shè)定值;

f）待風(fēng)速、水壓、氣壓均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，在試驗(yàn)區(qū)的采用測(cè)霧儀測(cè)量云霧場(chǎng)并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 液滴平均粒子直徑的定義

噴霧液滴的尺寸分布函數(shù)較為復(fù)雜，為方便起見，許多關(guān)于噴霧的研究都僅采用液滴的平均直徑。

對(duì)于本文研究的冰云模擬試驗(yàn)，以往的研究表明體積平均直徑D30是主要影響因素。體積平均直徑的定義如下：

3.2 結(jié)果參數(shù)

本文對(duì)冰云模擬試驗(yàn)用噴嘴進(jìn)行了三種風(fēng)速工況下，不同供水壓力、供氣壓力狀態(tài)時(shí)云霧場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量。所有狀態(tài)下云霧場(chǎng)液滴平均粒徑如表1所示：

可以看出，本文實(shí)驗(yàn)所用噴頭實(shí)現(xiàn)的最小液滴平均直徑為7.4μm（風(fēng)速40m/s，供水壓力5bar、供氣壓力6bar），最大液滴平均直徑為63.8μm（風(fēng)速20m/s，供水壓力5bar、供氣壓力1bar）。測(cè)試結(jié)果覆蓋了結(jié)冰風(fēng)洞冰云試驗(yàn)中液滴平均直徑10μm～50μm的要求。

4.結(jié)論

本文針對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞冰云模擬試驗(yàn)所使用的噴霧系統(tǒng)搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用激光多普勒測(cè)試儀研究了所用噴嘴的云霧參數(shù)特性，結(jié)果表明：

（1）本文所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了冰風(fēng)洞中冰云模擬平均液滴直徑10μm～50μm的要求。

（2）在相同供水壓力條件下，風(fēng)速越高，供氣壓力越高，液滴直徑越小。

（3）在進(jìn)行小液滴直徑試驗(yàn)中，可適當(dāng)提高供氣壓力實(shí)現(xiàn)液滴平均直徑的降低。反之需要進(jìn)行液滴直徑較大的冰云試驗(yàn)時(shí)，可適當(dāng)降低供氣壓力，實(shí)現(xiàn)液滴平均直徑的增大。

參考文獻(xiàn)

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