結(jié)冰風(fēng)洞云霧參數(shù)不同測量手段的試驗對比

鄭 梅, 鄭 莉, 郭之強(qiáng), 董 威,*

(1.上海交通大學(xué), 上海 200240; 2.中國航空工業(yè)集團(tuán) 武漢航空儀表有限責(zé)任公司, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

結(jié)冰風(fēng)洞是研究飛行器結(jié)冰和防/除冰特性的重要地面試驗設(shè)備，可模擬空中的結(jié)冰氣象條件，連續(xù)可控且不易受外界環(huán)境影響。相較于飛行試驗，結(jié)冰風(fēng)洞試驗具有成本低、周期短、安全可靠等優(yōu)點。為營造滿足試驗要求的結(jié)冰云霧環(huán)境，結(jié)冰風(fēng)洞除了具有常規(guī)風(fēng)洞的系統(tǒng)部件外，還包括制冷系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)，如圖1所示[1]。在制冷系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)的共同作用下，結(jié)冰風(fēng)洞中可產(chǎn)生具有μm量級粒徑的過冷水滴，以滿足FAR 25部附錄C和附錄O中所界定的結(jié)冰云霧環(huán)境參數(shù)[2]。

圖1 美國NASA Glenn研究中心結(jié)冰風(fēng)洞示意圖[1]

結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)云霧參數(shù)的控制是通過調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)供氣、供水壓力和噴嘴開度等參數(shù)實現(xiàn)，同時，受風(fēng)洞內(nèi)氣流擾動及噴霧水滴在運動過程中的傳質(zhì)傳熱作用影響[3]。因此，準(zhǔn)確測量結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)的云霧參數(shù)是開展定量結(jié)冰與防/除冰試驗的前提和基礎(chǔ)。液態(tài)水含量(LWC, Liquid Water Content)是重要的結(jié)冰云霧參數(shù)之一，其大小與分布均勻性在很大程度上會影響結(jié)冰形狀和結(jié)冰類型。在結(jié)冰和防/除冰試驗前，需通過一定的測試手段對結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)液態(tài)水含量和云霧均勻性進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。其中，結(jié)冰風(fēng)洞試驗段云霧均勻性通常采用結(jié)冰格柵進(jìn)行標(biāo)定[4-5]。LWC的測量方法包括：冰生長測量法、熱線測量法、粒徑測量/計數(shù)法、超聲波測量法等[6-8]。其中，后三種方法需采用專門的測量系統(tǒng)，測量快速、準(zhǔn)確，但儀器成本較高[9]。而冰生長測量法則可通過測量冰刀[10-12]或旋轉(zhuǎn)圓柱[13-15]表面結(jié)冰厚度即可推算LWC值，裝置及測量方法簡單。不同測量方法的精度及應(yīng)用條件不同，其測量結(jié)果也存在一定的差異。

本文采用格柵、旋轉(zhuǎn)多圓柱和靜止多圓柱三種試驗裝置，在相同的來流條件和噴霧條件下，在結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)開展結(jié)冰試驗。通過測量試驗裝置表面的結(jié)冰厚度，獲得試驗段截面內(nèi)云霧均勻性及液態(tài)水含量分布情況，并將三種試驗裝置的測量結(jié)果進(jìn)行對比與分析。

1 試驗設(shè)備與方法

1.1 結(jié)冰風(fēng)洞

試驗設(shè)備為一座閉口回流式亞聲速結(jié)冰風(fēng)洞，試驗段截面為0.25 m×0.35 m，如圖2所示，模擬風(fēng)速范圍為20～200 m/s，最低溫度可達(dá)-30±5 ℃，可模擬0～7000 m高度。噴霧裝置安裝在結(jié)冰風(fēng)洞穩(wěn)定段中心位置處，安裝示意圖如圖3所示。6排噴霧桿上共布置36個噴嘴，通過調(diào)節(jié)噴嘴的供氣壓力和供水壓力可控制水流量，從而改變試驗段內(nèi)結(jié)冰云霧環(huán)境。結(jié)冰風(fēng)洞可模擬的結(jié)冰云霧參數(shù)為：過冷水滴平均有效直徑(MVD, Median Volume Diameter)范圍為15～20 μm；液態(tài)水含量(LWC)范圍為0.2～3.0 g/m3。

圖2 YBF-04結(jié)冰風(fēng)洞試驗段

圖3 結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)噴霧裝置安裝位置示意圖

1.2 格柵

結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)云霧均勻性測試通常采用結(jié)冰格柵作為試驗裝置。根據(jù)結(jié)冰風(fēng)洞試驗段截面尺寸，試驗所用的格柵由9條橫向棱柱和7條縱向棱柱組成，橫向和縱向間距均為30 mm，棱柱表面拋光處理，厚度均為4 mm，如圖4所示。圖5為格柵在結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)的安裝示意圖，格柵通過最右側(cè)的安裝板固定在試驗段側(cè)壁上。格柵在試驗段截面內(nèi)所占的面積約為75%。

1.3 多圓柱

結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)液態(tài)水含量分布可以通過冰生長測量法測得。如圖6所示為試驗時采用的多圓柱試驗裝置，由5個不同直徑的同心圓柱裝配而成，圓柱直徑分別為2.5 mm、5 mm、10 mm、20 mm、40 mm。每個圓柱的長度均為50 mm。其中，直徑最大的圓柱(Ф40 mm)與長度為65 mm的(Ф20 mm)圓柱連接件相連，使得整個裝置能正好處于試驗段中心位置。多圓柱試驗裝置可在兩種狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)冰試驗，即旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)。采用不同的方法對兩種狀態(tài)下的試驗結(jié)果進(jìn)行處理，均可獲得液態(tài)水含量分布。

(a)幾何模型(單位：mm)

(b)實物圖

圖4 格柵試驗裝置

Fig.4 Icing calibration grid

圖5 試驗段內(nèi)格柵安裝示意圖

(a)幾何模型(單位：mm) (b)實物圖

圖6 多圓柱試驗裝置

Fig.6 Multi-cylinder

圖7為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下多圓柱試驗裝置在風(fēng)洞試驗段內(nèi)的安裝示意圖。圓柱連接件一端與多圓柱試驗裝置相連，另一端與步進(jìn)電機(jī)輸出軸相連，電機(jī)安裝在試驗段底盤上，從而可以將整個試驗裝置固定在風(fēng)洞試驗段內(nèi)。旋轉(zhuǎn)多圓柱以軸心垂直與來流方向的方式安裝在試驗段中心，并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，以60 r/min的速度勻速繞軸心轉(zhuǎn)動。靜止?fàn)顟B(tài)下的多圓柱試驗裝置在風(fēng)洞試驗段內(nèi)的安裝方式基本與圖7相同，僅去掉步進(jìn)電機(jī)，直接將試驗裝置固定在試驗段底盤，保證試驗裝置位于試驗段中心位置即可。

圖7 試驗段內(nèi)旋轉(zhuǎn)多圓柱試驗裝置安裝示意圖

2 試驗原理

2.1 格柵

試驗時，當(dāng)結(jié)冰風(fēng)洞來流氣象參數(shù)穩(wěn)定至指定試驗條件后噴霧開始。格柵暴露在結(jié)冰云霧中一段時間，待噴霧結(jié)束后測量格柵各點位置處的結(jié)冰厚度并觀察結(jié)冰區(qū)域，可得到結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)的云霧均勻性分布。通過測得的結(jié)冰厚度，可以計算得到試驗段截面上的液態(tài)水含量分布，計算公式如下：

(1)

其中，k為單位轉(zhuǎn)換常數(shù)；ρice為積冰密度；hice為結(jié)冰厚度；Eb為表面總收集系數(shù)；V∞為來流速度；t為結(jié)冰時間。

積冰密度ρice與來流溫度、速度、液態(tài)水含量以及水滴直徑等參數(shù)有關(guān)，因此采用以下擬合公式進(jìn)行計算[16]。

(2)

(3)

式中，MVD為水滴平均直徑，單位為μm；LWC為液態(tài)水含量，單位為g/m3；Dc為圓柱直徑(對于格柵，為格柵棱柱撞擊前緣內(nèi)切圓柱直徑)，單位為cm；Twall為撞擊表面溫度，單位為℃。由于積冰密度ρice與液態(tài)水含量LWC有關(guān)，因此在計算過程中需進(jìn)行迭代直至收斂。

根據(jù)定義，表面總收集系數(shù)E與局部水收集系數(shù)β之間的關(guān)系可用以下公式表示[17]：

(4)

式中，Hg,m表征物體最大結(jié)構(gòu)厚度；Su和Sl分別表示水滴在物體上、下表面的撞擊極限位置；S為撞擊極限所包圍的物體表面長度。可先采用歐拉法[18]進(jìn)行數(shù)值計算得到表面局部水收集系數(shù)β的分布，再根據(jù)式(4)進(jìn)行積分，從而獲得試驗裝置表面總收集系數(shù)。

2.2 旋轉(zhuǎn)多圓柱

試驗時，過冷水滴均勻撞擊旋轉(zhuǎn)圓柱表面發(fā)生凍結(jié)。由于圓柱勻速轉(zhuǎn)動，表面結(jié)冰均勻，結(jié)冰后外形仍保持圓柱形。單位圓柱迎風(fēng)面所收集的水量I可表示為[13]：

(5)

其中，m為圓柱體上的結(jié)冰質(zhì)量；Dc為結(jié)冰時圓柱體的平均直徑；LD為圓柱體的長度；Em為旋轉(zhuǎn)圓柱表面總收集系數(shù)。

(6)

(7)

其中，Dice為結(jié)冰后圓柱直徑；D0為結(jié)冰前圓柱初始直徑。

由式(5)～式(7)，可推導(dǎo)出液態(tài)水含量的計算公式如下[19]：

(8)

通過測量圓柱結(jié)冰前后直徑可以計算得到結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)液態(tài)水含量分布。式中，積冰密度ρice與表面總收集系數(shù)Em處理方法與上文中相同。

2.3 靜止多圓柱

結(jié)冰云霧水滴撞擊靜止圓柱表面時，在前緣區(qū)域發(fā)生結(jié)冰，如圖8所示。通過測量前緣駐點處的結(jié)冰厚度，可推算試驗段內(nèi)液態(tài)水含量分布情況。計算公式如下：

(9)

其中，Hice為圓柱駐點處結(jié)冰后徑向長度，如圖8所示，hice為駐點處結(jié)冰厚度；β0為圓柱駐點處局部水收集系數(shù)，通過數(shù)值計算可得到。

圖8 靜止多圓柱表面結(jié)冰厚度測量

3 試驗參數(shù)

試驗狀態(tài)參數(shù)如表1所示。試驗過程中，結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)來流溫度均低于-15℃，以保證結(jié)冰試驗在霜冰條件下進(jìn)行，消除溢流冰對試驗結(jié)果的影響。其次，三個試驗狀態(tài)下分別采用三種不同的試驗裝置，但風(fēng)洞試驗段內(nèi)來流風(fēng)速以及噴霧系統(tǒng)的供氣和供水壓力均基本保持一致，以保證噴霧水流量相同，即試驗段具有相同的云霧參數(shù)條件，便于對三個狀態(tài)下的試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

表1 試驗狀態(tài)參數(shù)

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 格柵

圖9為狀態(tài)1條件下格柵表面的結(jié)冰情況，通過結(jié)冰厚度分布可以較為明顯地觀察到試驗段內(nèi)的云霧均勻性情況。可以看出，除了試驗段左上方位置結(jié)冰厚度明顯偏小外，其余區(qū)域結(jié)冰厚度相對較大且較為均勻，越靠近風(fēng)洞試驗段底部區(qū)域結(jié)冰厚度逐漸增加。同時，在靠近試驗段側(cè)壁面的格柵棱柱上結(jié)冰厚度由厚變薄且過渡明顯，說明絕大部分噴霧水滴集中在試驗段截面約75%區(qū)域內(nèi)。

圖9 格柵結(jié)冰試驗結(jié)果圖

利用式(1)可以將格柵棱柱表面的結(jié)冰厚度轉(zhuǎn)化為試驗段截面內(nèi)的液態(tài)水含量分布，如圖10所示。從圖中可以看出，液態(tài)水含量值在1.2～1.4 g/m3范圍內(nèi)的分布區(qū)域較大，主要集中在試驗段截面中心位置(y=-50～50 mm區(qū)域)和右上方位置(x>25 mm并且y>50 mm區(qū)域)；液態(tài)水含量最大值出現(xiàn)在底部區(qū)域(y<-100 mm區(qū)域)，此時數(shù)值已經(jīng)達(dá)到1.8～2.0 g/m3范圍；液態(tài)水含量最小值主要在靠近左側(cè)壁面區(qū)域(x<-87.5 mm)以及左上方位置(x<0 mm并且y>50 mm區(qū)域),該位置處平均液態(tài)水含量約為0.8 g/m3。從上述分析可知，結(jié)冰風(fēng)洞試驗段總體云霧均勻性有待提高；但左上方區(qū)域液態(tài)水含量偏小應(yīng)為異常現(xiàn)象，極有可能是試驗過程中噴嘴堵塞造成；靠近底部區(qū)域液態(tài)水含量偏高的原因，部分在于部分粒徑較大的水滴發(fā)生沉降，另一部分是由于噴霧供氣供水壓力的不均勻性導(dǎo)致底部噴霧量相對較大。

圖10 試驗段截面液態(tài)水含量分布

圖11為格柵結(jié)冰試驗過程中結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)氣流速度的變化情況。在整個噴霧時間內(nèi)，試驗段內(nèi)風(fēng)速下降幅度約為43%。風(fēng)速的急劇下降是由于格柵在試驗段內(nèi)所占面積較大且棱柱間距較小，結(jié)冰后導(dǎo)致氣流流通面積進(jìn)一步減小，風(fēng)洞阻塞比增加。試驗段內(nèi)氣流參數(shù)過大的變化，會造成較大的試驗誤差。因此，針對試驗段截面較小的結(jié)冰風(fēng)洞，在采用格柵作為測量云霧均勻性的設(shè)備時，應(yīng)該采用較大的棱柱間距以及較短的結(jié)冰時間，防止風(fēng)洞阻塞比過度增加造成氣流參數(shù)的大幅度變化。

圖11 格柵試驗過程中風(fēng)洞試驗段內(nèi)氣流速度變化

4.2 旋轉(zhuǎn)多圓柱

圖12為旋轉(zhuǎn)多圓柱的結(jié)冰試驗結(jié)果。在霜冰條件下，若到達(dá)旋轉(zhuǎn)圓柱表面的液態(tài)水含量均勻性良好，則在同一直徑圓柱表面形成的結(jié)冰厚度應(yīng)該基本保持一致。從圖中可以看出，底部兩個圓柱(Ф40 mm和Ф20 mm)表面，結(jié)冰厚度相對較為均勻，結(jié)冰后基本保持圓柱外形；但另三個圓柱(Ф10 mm、Ф5 mm、Ф2.5 mm)表面結(jié)冰后，呈現(xiàn)圓錐外形，且Ф2.5 mm圓柱表面結(jié)冰形狀為倒圓錐外形。這是由于結(jié)冰堵塞造成噴嘴開度發(fā)生變化，導(dǎo)致原本應(yīng)混合均勻的兩排噴霧水滴交叉位置處出現(xiàn)了水量減少，而Ф2.5 mm圓柱恰好處于最上方噴霧中心至兩排噴霧交叉位置，導(dǎo)致表面結(jié)冰量沿軸向減小而出現(xiàn)倒錐形。這也說明了，試驗段內(nèi)云霧均勻性有待提高。

圖13為旋轉(zhuǎn)多圓柱結(jié)冰試驗過程中結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)氣流速度的變化情況。從整體上看，整個噴霧過程中風(fēng)速變化較為穩(wěn)定，基本保持在57 m/s左右。旋轉(zhuǎn)多圓柱試驗裝置在試驗段截面內(nèi)所占面積不大，且結(jié)冰后僅圓柱直徑有小幅度變化，試驗過程中對風(fēng)洞阻塞比影響較小。因此，相比于格柵試驗，多圓柱試驗由氣流參數(shù)變化引起的誤差會更小一些。

圖12 旋轉(zhuǎn)多圓柱結(jié)冰試驗結(jié)果圖

圖13 試驗過程中結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)氣流參數(shù)變化

4.3 靜止多圓柱

圖14為靜止?fàn)顟B(tài)下多圓柱試驗裝置的結(jié)冰試驗結(jié)果。在霜冰條件下，僅在圓柱表面前緣撞擊區(qū)域內(nèi)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。與旋轉(zhuǎn)多圓柱試驗類似，上方兩個小直徑圓柱(Ф5 mm、Ф2.5 mm)表面結(jié)冰厚度有明顯的變化，由上至下結(jié)冰厚度先減小后增大。因此，可以得出與格柵、旋轉(zhuǎn)多圓柱試驗相同的結(jié)論：在結(jié)冰風(fēng)洞試驗段上方區(qū)域，噴霧水滴分布明顯不均勻，云霧均勻性有待提高。

圖14 靜止多圓柱結(jié)冰試驗結(jié)果圖

4.4 對比結(jié)果

分別采用式(8)和式(9)對旋轉(zhuǎn)多圓柱和靜止多圓柱試驗結(jié)果進(jìn)行處理，將結(jié)冰厚度轉(zhuǎn)化為試驗段截面上液態(tài)水含量分布。取格柵中心線上(即圖10中x=0 mm截面處)液態(tài)水含量分布與兩個多圓柱試驗結(jié)果進(jìn)行對比，如圖15所示。需要說明的是：格柵x=0 mm處結(jié)冰厚度無法直接測量，其數(shù)值是通過相鄰兩個棱柱(x=21 mm和x=-13mm)上的數(shù)據(jù)差值得到。因此，格柵中心線上液態(tài)水含量分布較為均勻，截面上下差異較小。而旋轉(zhuǎn)多圓柱和靜止多圓柱則表現(xiàn)出相同的變化趨勢，截面上下差異較大，風(fēng)洞底部的液態(tài)水含量比頂部區(qū)域高出約80%。

從空氣流場方面分析，格柵試驗中氣流參數(shù)變化較大(如圖11所示)，同時格柵截面積較大且棱柱間距較小，前緣空氣流場變化較為劇烈，這會導(dǎo)致噴霧水滴在達(dá)到格柵前軌跡發(fā)生較大改變，空氣擾動讓云霧更加均勻，尤其是在截面中心線位置。而多圓柱相對試驗段截面面積占比較小，試驗段內(nèi)氣流參數(shù)較為穩(wěn)定(如圖13所示)，且前緣空氣擾動較小，因此能更加真實地反應(yīng)液態(tài)水含量大小。另外，噴嘴堵塞引起的噴射角變化也是造成這一差異的重要原因之一。

圖15 三種測試手段試驗結(jié)果對比

但就風(fēng)洞試驗段中心區(qū)域位置(y=0 mm附近)而言，三種試驗測試結(jié)果非常接近，可相互驗證其測試方法的有效性。

5 結(jié) 論

本文采用不同結(jié)冰試驗裝置對結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)云霧均勻性及液態(tài)水含量分布展開了測試試驗。分析了格柵、旋轉(zhuǎn)多圓柱及靜止多圓柱三種不同試驗裝置的結(jié)冰試驗結(jié)果，并將結(jié)冰厚度換算成液態(tài)水含量分布進(jìn)行對比分析。主要結(jié)論為：

1)格柵可以較為直觀地反映試驗段截面云霧均勻性，但由于格柵整體面積較大且棱柱之間間隔較小，結(jié)冰后極易導(dǎo)致風(fēng)洞阻塞比過大，氣流參數(shù)變化劇烈，帶來較大的試驗誤差。因此，格柵試驗裝置應(yīng)設(shè)計合理的棱柱間距，且試驗過程中噴霧時間不宜過長，尤其是對于試驗段截面較小的結(jié)冰風(fēng)洞。

2)多圓柱法在結(jié)冰后對試驗段氣流參數(shù)影響不大，由于安裝在試驗段截面中心線位置，僅反應(yīng)該位置處的云霧均勻性和液態(tài)水含量分布規(guī)律，但準(zhǔn)確度相對較高。

3)被測結(jié)冰風(fēng)洞試驗段內(nèi)云霧均勻性有待提高，主要是中上部靠近風(fēng)洞頂部區(qū)域液態(tài)水含量偏小，而局部噴嘴堵塞應(yīng)該是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。因此，在結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)設(shè)計時需要重點關(guān)注。

(4)噴嘴供氣和供水壓力的穩(wěn)定性也會影響風(fēng)洞試驗段內(nèi)的液態(tài)水含量的均勻分布，因此精確控制每個噴嘴的供氣供水壓力并保證其穩(wěn)定性，可以提高云霧分布的均勻性。總的來說，結(jié)冰風(fēng)洞云霧參數(shù)需要進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和校測，才能保證其準(zhǔn)確度。

致謝:感謝中航工業(yè)集團(tuán)武漢航空儀表有限責(zé)任公司環(huán)境試驗室技術(shù)工作人員對本文結(jié)冰試驗的支持與幫助！