結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴試驗(yàn)中混合翼設(shè)計(jì)

束珺，徐東光，*，韓志熔，李斯，黃雄，3

1．中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210

2．中國航空工業(yè)空氣動力研究院，沈陽 110034

3．西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710072

安全性是飛機(jī)設(shè)計(jì)者和航空公司最關(guān)心的問題之一，飛機(jī)結(jié)冰是威脅飛機(jī)安全性的重要因素，所以必須開展飛機(jī)結(jié)冰防護(hù)設(shè)計(jì)。目前民機(jī)的結(jié)冰防護(hù)設(shè)計(jì)基于結(jié)冰設(shè)計(jì)包線［1］（14 CFR第25部分，附錄C），2014年美國聯(lián)邦航空管理局頒布了FAR 25.1420和附錄O［2］，通過增 加過冷大水 滴（Supercooled Large Droplet，SLD）結(jié)冰條件提高運(yùn)輸類飛機(jī)安全性，附錄O中規(guī)定了部分新研制民機(jī)結(jié)冰防護(hù)設(shè)計(jì)過程中需考慮的結(jié)冰設(shè)計(jì)包線。

結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)是民機(jī)結(jié)冰防護(hù)設(shè)計(jì)重要的方法和技術(shù)手段，自FAR 25.1420和附錄O頒布以來，在結(jié)冰風(fēng)洞中實(shí)現(xiàn)SLD云霧條件模擬成為新的研究方向。前期結(jié)冰風(fēng)洞中通過噴嘴模擬附錄C云霧條件，產(chǎn)生的水滴粒徑基本呈正態(tài)分布（即單峰分布）且最大粒徑不超過100 μm，稱為小水滴噴嘴。針對附錄O中水滴粒徑“雙峰”分布的特點(diǎn)，為模擬超過100 μm粒徑的“峰”獲得更大粒徑的水滴，需在結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)中增加大水滴噴嘴。近年來美國國家航空航天局在冰風(fēng)洞中心（Icing Re?search Tunnel，IRT）采用兩種噴嘴組合噴霧的方法模擬了典型SLD云霧水滴直徑“雙峰”分布［3-8］。2011年意大利航天研究中心在冰風(fēng)洞中測試了能生成大粒徑、小流量的改進(jìn)型噴嘴性能，并采用大水滴噴嘴和小水滴噴嘴進(jìn)行組合噴霧，模擬出接近凍毛毛雨（Freezing Drizzel，F(xiàn)ZDZ）條件水滴質(zhì)量分布的云霧，證明了采用組合噴霧方法生成SLD結(jié)冰條件的可行性［9-10］。2015年加拿大國家研究委員會在模擬高度冰風(fēng)洞（Altitude Icing Wind Tunnel，AIWT）中進(jìn)一步研究了采用兩種不同粒徑分布的云霧組合模擬SLD結(jié)冰條件的方法，實(shí)現(xiàn)了與凍毛毛雨水滴質(zhì)量分布曲線非常符合的SLD結(jié)冰條件［11］。中國航空工業(yè)空氣動力研究院自2018年開始在FL-61結(jié)冰風(fēng)洞中對當(dāng)前采用的大水滴噴嘴性能和大、小水滴噴嘴組合噴霧方法開展試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了SLD云霧模擬。

結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)對試驗(yàn)段堵塞度有要求，目前國內(nèi)外結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸并不能滿足全尺寸大型客機(jī)機(jī)翼翼型模型開展結(jié)冰試驗(yàn)的要求，且結(jié)冰試驗(yàn)不可使用縮比的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，所以一般采用混合翼?2-14］進(jìn)行結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)。混合翼的特點(diǎn)為前緣水滴收集區(qū)域的外形與全尺寸外形完全一致，而對結(jié)冰影響很小的后部區(qū)域則重新設(shè)計(jì)以縮短弦長。經(jīng)重新設(shè)計(jì)的混合翼弦長僅為全尺寸翼型的30%~60%。國外在混合翼設(shè)計(jì)上已開展了較多研究，主要對混合翼設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)形式、設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究［15-19］。中國目前已針對民機(jī)型號研制需求形成了一套滿足附錄C的面向工程、面向適航的混合翼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［20］，但未針對新頒布的附錄O開展適用性研究。

本文基于現(xiàn)有的混合翼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對NACA-0012翼型開展混合翼設(shè)計(jì)，并通過比對結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴環(huán)境（FZDZ，Medium Volume Diam?eter （MVD）<40 μm）下混合翼模型與原始翼型模型表面冰形，驗(yàn)證混合翼設(shè)計(jì)方法在過冷大水滴環(huán)境下的適用性。

1 混合翼設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

混合翼設(shè)計(jì)工作基于文獻(xiàn)［20］提出的面向工程、面向適航的混合翼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1） 混合翼壓力分布的駐點(diǎn)位置與原始全尺寸翼型的壓力分布駐點(diǎn)位置一致。若無法做到一致則混合翼的駐點(diǎn)位置應(yīng)盡可能靠近上表面，如已處于上表面則越靠后越好。

2） 混合翼壓力分布的上表面吸力峰值等于原始全尺寸翼型壓力分布的吸力峰值。若無法做到一致，則混合翼的吸力峰值應(yīng)大于原始全尺寸翼型的吸力峰值。

1.2 混合翼設(shè)計(jì)

原始全尺寸（Full-Scale）翼型為0.50 m弦長的NACA0012翼型，混合翼（Hybrid Wing）設(shè)計(jì)在保持前緣部分外形不變的基礎(chǔ)上縮短翼型弦長、減小翼型厚度以實(shí)現(xiàn)阻塞比減小的目的，因?yàn)槟壳癝LD結(jié)冰數(shù)值模擬技術(shù)并不成熟，無法精確預(yù)估SLD撞擊極限，所以混合翼設(shè)計(jì)時(shí)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下最大化前緣外形保持不變的范圍。

圖1 原始翼型及混合翼型Fig.1 Original wing and hybrid wing

針對來流風(fēng)速V=66.7 m/s，迎角（α）分別為4.0°、0°的條件設(shè)計(jì)混合翼。設(shè)計(jì)得到的混合翼型見圖1，其中x、y分別為翼型模型表面點(diǎn)平行、垂直于弦向的坐標(biāo)，其參數(shù)如下：弦長為原始翼型的0.5倍，即0.25 m，翼型前緣弦向15.6%（即0.078 m）與原始翼型保持一致，模型厚度為56.55 mm。流場的計(jì)算方法為數(shù)值求解Navier-Stokes控制方程，解算器采用上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院自研軟件SADRICE，計(jì)算網(wǎng)格采用O型網(wǎng)格，圖2為計(jì)算得到的混合翼與原始翼型前緣表面壓力系數(shù)（Cp）分布對比結(jié)果，從圖2（a）可看出4.0°迎角時(shí)兩模型表面駐點(diǎn)位置一致，混合翼表面吸力峰值略大2‰；從圖2（b）可看出0°迎角時(shí)兩模型表面駐點(diǎn)位置一致，混合翼表面吸力峰值偏大4%。

圖2 原始翼型、混合翼型前緣表面Cp分布（V=66.7 m/s）Fig.2 Cpdistributions on leading edge of original and hybrid wings （V=66.7 m/s）

2 混合翼結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴試驗(yàn)

2.1 結(jié)冰風(fēng)洞

試驗(yàn)在航空工業(yè)空氣動力研究院FL-61風(fēng)洞中完成。該風(fēng)洞是一座亞、跨、超三聲速連續(xù)式風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為0.6 m×0.6 m×2.7 m。SLD云霧條件模擬采用大、小水滴兩種噴嘴組合噴霧實(shí)現(xiàn)“雙峰”分布特征模擬。FL-61風(fēng)洞SLD云霧條件下水滴粒徑分布曲線見圖3，與附錄O中凍毛毛雨MVD<40 μm的包線趨勢基本一致，但受目前大水滴噴嘴性能的影響，F(xiàn)L-61風(fēng)洞SLD云霧中30~150 μm粒徑的水滴偏少，150~388 μm粒徑的水滴偏多。

圖3 試驗(yàn)粒徑分布Fig.3 Drop diameter distributions in test

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)采用兩套翼型模型，分別為0.50 m弦長的NACA0012翼型模型及0.25 m弦長的混合翼模型，如圖4所示。兩套模型均加工測壓系統(tǒng)以開展壓力匹配研究，試驗(yàn)中模型水平安裝在風(fēng)洞內(nèi)。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Test models

2.3 模型表面壓力分布匹配

模型表面壓力（P）分布匹配首先針對原始翼型模型在來流風(fēng)速66.7 m/s、迎角0°和4.0°兩個(gè)狀態(tài)下開展測壓試驗(yàn)，接著對混合翼型模型開展對應(yīng)的設(shè)計(jì)狀態(tài)下的測壓試驗(yàn)。如果在設(shè)計(jì)狀態(tài)下兩模型壓力分布不能滿足駐點(diǎn)位置及模型表面吸力峰值基本一致的要求，則通過改變來流速度、迎角以尋找匹配駐點(diǎn)位置及模型表面吸力峰值的狀態(tài)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鎵毫Ψ植计ヅ浣Y(jié)果如圖5所示。

圖5（a）為來流風(fēng)速66.7 m/s、迎角0°狀態(tài)下原始翼型模型與迎角0.3°狀態(tài)下混合翼型模型表面壓力分布曲線，可見壓力駐點(diǎn)位完全一致，在模型前緣20%弦長范圍內(nèi)壓力基本符合。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鎵毫Ψ植糉ig.5 Surface pressure distributions of test models

圖5（b）為來流風(fēng)速66.7 m/s、迎角4.0°狀態(tài)下原始翼型模型與來流風(fēng)速60.0 m/s、迎角6.3°狀態(tài)下混合翼型模型表面壓力分布曲線，可見駐點(diǎn)位置、模型表面吸力峰值也基本一致。

2.4 結(jié)冰試驗(yàn)狀態(tài)

基于模型表面壓力分布匹配結(jié)果和FL-61中SLD（FZDZ，MVD<40 μm）云霧模擬條件分別對SLD（FZDZ，MVD<40 μm）環(huán)境下模型表面霜冰、光冰結(jié)冰開展研究，試驗(yàn)狀態(tài)如表1所示，其中Cases 1、2為霜冰研究狀態(tài)、Cases 3~6為光冰研究狀態(tài)。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)Table 1 Test cases

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 霜冰冰形

圖6為Case 2模型表面結(jié)冰情況，可見SLD（FZDZ，MVD<40 μm）云霧環(huán)境與附錄C環(huán)境下得到的冰形存在較大差異，SLD（FZDZ，MVD<40 μm）環(huán)境下結(jié)冰范圍變大，除和附錄C環(huán)境下一樣在前緣形成了冰殼，還在冰殼后的翼面上形成范圍較大羽狀冰，且羽狀冰位置的隨機(jī)性較大。

圖6 Case 2冰形Fig.6 Ice shape of Case 2

圖7為Case 1和Case 2的試驗(yàn)冰形，可見在0°迎角時(shí)模型上下翼面冰形基本對稱，但受SLD（FZDZ，MVD<40 μm）云霧中大粒徑水滴沉降影響，上翼面冰形高度比下翼面微高，在20%誤差范圍內(nèi)。原始翼型和混合翼型模型表面冰形特征基本一致，受結(jié)冰云霧均勻性、隨機(jī)性影響，上翼面前緣冰形存在一定差異，混合翼型模型比原始翼型模型前緣冰形冰高、冰角略偏大。兩模型表面結(jié)冰范圍一致，均在原始翼型15.6%弦長附近（0.078 m，此弦長范圍內(nèi)兩模型前緣外形保持一致）。

圖7 Cases 1、2冰形Fig.7 Ice shapes of Cases 1 and 2

2.5.2 光冰冰形

圖8為Case 6模型上翼面結(jié)冰情況，可見羽狀冰位置的隨機(jī)性依舊較大，但羽狀冰與翼面的夾角比霜冰狀態(tài)大。

圖8 Case 6上翼面冰形Fig.8 Upper wing ice shape of Case 6

圖9為Case 3和Case 4的試驗(yàn)冰形，圖10為Case 5和Case 6的試驗(yàn)冰形?？梢姾退Y(jié)果一樣，模型上翼面冰形高度比下翼面冰形微高，在20%誤差范圍內(nèi)。在兩個(gè)模型前緣表面冰形的特征基本一致，受SLD（FZDZ，MVD<40 μm）云霧中大粒徑水滴的隨機(jī)性和測量誤差影響局部冰形存在少量差異，混合翼型模型表面的冰形比原始翼型表面翼型略嚴(yán)酷。因結(jié)冰范圍超出混合翼設(shè)計(jì)時(shí)前緣外形保留弦長（0.078 m），兩翼型模型表面結(jié)冰范圍存在差異。

圖9 Cases 3、4冰形Fig.9 Ice shapes of Cases 3 and 4

圖10 Cases 5、6冰形Fig.10 Ice shapes of Cases 5 and 6

3 結(jié) 論

通過結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究了過冷大水滴環(huán)境下現(xiàn)有混合翼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的適用性，得到的主要結(jié)論包括：

1）采用現(xiàn)有混合翼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對NACA0012翼型進(jìn)行混合翼設(shè)計(jì)，結(jié)冰風(fēng)洞SLD（FZDZ，MVD<40 μm）結(jié)冰試驗(yàn)得到混合翼型模型、原始翼型模型前緣的冰形特征基本一致，局部冰形存在少量差異，混合翼型模型表面冰形冰高略偏大。結(jié)果表明了現(xiàn)有混合翼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在SLD（FZDZ，MVD<40 μm）環(huán)境下依舊適用。

2）SLD（FZDZ，MVD<40 μm）環(huán)境下的結(jié)冰范圍遠(yuǎn)大于附錄C環(huán)境下的結(jié)冰范圍，為滿足前緣水滴收集區(qū)域外形保持一致的前提，混合翼設(shè)計(jì)時(shí)前緣需保留的外形沿弦向范圍要求變大，對混合翼設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)苛的要求。