降雪環境試驗參數分析

郭騰 張穎 吳敬濤

摘? 要：氣候環境試驗在能力驗證試驗中占有舉足輕重的地位，我國這方面的研究依然相對落后。降雪是典型的自然氣候現象，在降雪過程中全水含量、均勻性、能見度等參數是表征降雪強度的關鍵參數和重要指標。文章使用一套噴霧系統，通過參數調節實現不同的降雪參數。最后，對試驗的結果進行了總結分析并簡要的提出了全水含量與能見度的簡單關系。

關鍵詞：氣候試驗;能見度;全水含量;降雪

中圖分類號：V216.5? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）15-0079-03

Abstract： The climate and environment test plays an important role in the capability verification test， but the research in this area in our country is still relatively backward. Snowfall is a typical natural climate phenomenon. In the process of snowfall， the parameters such as total water content， uniformity and visibility are the key parameters and important indicators to characterize the intensity of snowfall. In this paper， a set of spray system is used to realize different snowfall parameters through parameter adjustment. Finally， the test results are summarized and analyzed， and the simple relationship between total water content and visibility is put forward.

Keywords： climate test; visibility; total water content; snowfall

引言

隨著我國航空事業的發展，飛機設計以及驗證試驗體系日益成熟。盡管如此，對于飛機氣候環境適應性的研究相對于國外仍有較大差距，這方面研究相對比較落后。我國幅員遼闊，總體氣候環境也比較復雜。在我國大部分地區降雪在冬季屬于常見的氣候現象。降雪對于飛機各項性能有著較大的影響。在外場試飛過程，降雪氣候可遇而不可求;即使遇到也不能保證數據指標符合試驗要求。相反，實驗室氣候環境試驗能避免上述問題。本文對實驗室降雪試驗中的均勻性和全水含量進行了研究。

均勻性：降雪區域與中心位置數據偏差。

全水含量（Total Water Content）：單位空氣體積內液態水與固態水的總質量，其單位為g/m3。

1 研究背景

在航空史上因氣象原因發生過很多飛行事故，其中能見度過低和降雪天氣引起的事故也相對較多。例如，1990年12月3日下午，兩架美國西北航空公司的飛機（波音727-200和麥道DC-9）由于機場霧氣彌漫，能見度差在機場跑道上滑行時相撞。1982年1月13日，波音737-200型飛機自華盛頓機場起飛時因發動機吸入冰雪導致推力不足失速墜落。

本文中全水含量計算方法：文中對全水含量的計算模型進行了簡化處理，認為雪盤上方圓柱體內的雪粒直線下落且不與圓柱體外的雪粒有干涉（無流入無流出）。基于此模型，全水含量的計算公式（1）如下：

其中W為雪重量，v為雪粒下落速度，T為降雪時間，S為降雪圓柱體面積。

2 研究方法

2.1 設備

本次試驗在某氣候環境實驗室中進行。該氣候環境實驗室可以實現高溫、低溫、太陽輻照、淋雨、降雪等多種復雜的氣候條件。本文降雪采用一套單模塊噴霧系統（如圖1所示），該系統包括可以進行水壓調節和氣壓調節的水源車和氣源車。通過這一套系統可以將水滴進行霧化處理，這樣有利于提高成雪效果;同時，也可以通過調節供水壓力和供氣壓力較好地控制雪粒大小。能見度參數也是本次試驗關注的重要指標，試驗過程使用能見度儀對試驗過程的能見度數值進行記錄。

2.2 方法

本次試驗過程的實驗室環境溫度為-9℃和-2℃兩個測試溫度點，對環境濕度不做控制要求。開始前設定一組初始水壓和初始氣壓作為測量參考值，針對兩個溫度點進行多個工況的調節并計算全水含量。使用高速攝像機拍攝記錄雪粒下落速度，用于分析全水含量。對每個工況降雪過程的降雪區域能見度進行觀測并記錄數值。降雪目標區域空中放置五個雪盤接下落的雪方便進行稱重和觀察成雪質量，雪盤放置位置如圖2所示，用于分析降雪過程的均勻性。

3 結果與分析

本次試驗針對不同條件共進行了多個工況的調試，因篇幅有限在文中就不一一例舉了。下面對試驗結果重點進行介紹與分析。

3.1 結果

本次試驗過程中控制的輸入變量有：實驗室環境溫度、噴霧水壓、噴霧氣壓和噴霧水溫。通過對上述參數的調節，實驗室環境溫度為-9℃時，成雪效果比較好，如圖3所示。實驗室環境溫度為-2℃時，由于初始水溫較高，受降落高度影響沒有足夠的換熱過程導致成雪效果不理想，如圖4所示。當降低噴霧水溫后，獲得了較好的成雪效果，如圖5所示。試驗過程降雪目標區域能見度基本在500m以內，如圖5所示。能見度數據能夠滿足目前的降雪試驗要求。通過調節噴霧水壓，可以實現目標區域全水含量3g/m3。

3.2 結果分析

本文對能見度與全水含量關系進行了簡單的分析，如圖6所示。圖中點為能見度數值與全水含量測量點。雖然數據量較少，但可以看出全水含量與能見度數值呈正相關關系，及全水含量越高能見度越低。

相比于環境溫度為-2℃時，環境溫度為-9℃時成雪效果更好。原因也是顯而易見的，溫度低更有利于進行熱交換，從而獲得更好的結晶（成雪）效果。受氣候環境實驗室內部構造影響，降溫循環風導致降雪目標區域流場分布不均勻。受流場分布的影響，雪粒下落路徑產生偏移，從而導致目標區域均勻性較差。

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