雙梭型SLD探測(cè)器結(jié)冰特性研究

章儒宸 葛俊鋒 桂 康 肖 汀 范博龍 葉 林

(1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210； 2. 華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

2015年起，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)及歐洲航空安全局(EASA)的適航條例修正案相繼生效，強(qiáng)制要求新設(shè)計(jì)的相關(guān)航空器具備識(shí)別或承受過(guò)冷大水滴(Supercooled Large Droplet，簡(jiǎn)稱SLD)結(jié)冰環(huán)境的能力。在迫切的實(shí)際需求牽引下，相關(guān)機(jī)構(gòu)已圍繞SLD結(jié)冰防護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，主要研究成果集中在SLD結(jié)冰條件下的機(jī)理及危害分析領(lǐng)域。同時(shí)，國(guó)際上已經(jīng)有多種基于不同原理的SLD結(jié)冰探測(cè)方法見(jiàn)諸報(bào)道，按照不同類別的探測(cè)技術(shù)可分為五大類，即目測(cè)式方法、增布傳感器方法、氣動(dòng)性能監(jiān)測(cè)方法、雷達(dá)探測(cè)方法以及探頭式方法。其中，目測(cè)式方法需要依靠飛行員對(duì)機(jī)外探冰桿等位置處在常規(guī)條件和SLD結(jié)冰條件下的結(jié)冰信息作出區(qū)分，極大程度上取決于飛行員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，只能作為輔助手段；增補(bǔ)傳感器法通常需要在易遭受SLD結(jié)冰的部位，如機(jī)翼表面的溢流區(qū)甚至是防護(hù)區(qū)之外加裝齊平保形式的傳感器，該方法對(duì)于SLD結(jié)冰條件的探測(cè)較為直接，且技術(shù)手段相對(duì)成熟，主流的方式按照探測(cè)機(jī)理可分為光纖式和壓電平膜式等，但由于結(jié)冰區(qū)域易受到環(huán)境因素的影響而變化，因此對(duì)安裝位置的選擇要求較高，需要在精確計(jì)算和大量試驗(yàn)之后選擇不同的位置進(jìn)行布置，進(jìn)而增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和安裝成本；雷達(dá)探測(cè)法通過(guò)在飛機(jī)上安裝微波或激光雷達(dá)，探測(cè)飛機(jī)前端云層的過(guò)冷水滴或冰晶含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)結(jié)冰環(huán)境的預(yù)警探測(cè)，該方法突破了傳統(tǒng)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)的束縛，具有良好的研究前景和技術(shù)方向，然而相關(guān)研究結(jié)果表明，雷達(dá)探測(cè)方法受較多因素影響，難以在復(fù)雜的小水滴背景下進(jìn)行大水滴探測(cè)，在短期內(nèi)滿足國(guó)際適航要求的可能性較低。

探頭式探測(cè)技術(shù)為目前主流民航或運(yùn)輸類機(jī)型所采用，其用于探測(cè)常規(guī)水滴結(jié)冰條件的技術(shù)手段已相當(dāng)成熟，但針對(duì)SLD結(jié)冰探測(cè)的探頭型結(jié)冰探測(cè)技術(shù)尚待研究和探索，目前該類新型探頭式結(jié)冰探測(cè)技術(shù)按照其方法特點(diǎn)可大致分為基于水滴特性和基于溢流特性的兩種檢測(cè)方法。水滴軌跡檢測(cè)方法的基本思路是，在過(guò)冷水滴結(jié)冰氣象條件中，較高的溫度及較大的中位體積直徑(Median Volume Diameter，簡(jiǎn)稱MVD)使SLD具有獨(dú)特的撞擊軌跡，探頭式方法利用特殊構(gòu)型的探頭與結(jié)冰傳感器，依靠常規(guī)水滴與SLD的撞擊位置或溢流特性的差異，實(shí)現(xiàn)二者的區(qū)分。但采用探頭型結(jié)冰探測(cè)技術(shù)，對(duì)于不同氣動(dòng)外形的探頭表面，其區(qū)分SLD結(jié)冰條件的能力和有效性還有待檢驗(yàn)。因此，本文將針對(duì)一種基于雙梭外形的探頭式SLD結(jié)冰探測(cè)器，結(jié)合邊界層理論和SLD在運(yùn)動(dòng)軌跡和撞擊區(qū)域方面的特性，詳細(xì)分析其設(shè)計(jì)原理；隨后運(yùn)用全三維通用結(jié)冰仿真軟件FENSAP-ICE對(duì)該特殊氣動(dòng)外形的探頭表面進(jìn)行結(jié)冰模擬計(jì)算，并與該探頭構(gòu)型試驗(yàn)件在冰風(fēng)洞中通過(guò)光纖傳感器采集到的結(jié)冰信息進(jìn)行對(duì)比，初步驗(yàn)證雙梭型探頭能夠檢測(cè)并區(qū)分SLD條件的能力。

1 雙梭型SLD探測(cè)器設(shè)計(jì)原理

在過(guò)冷水滴結(jié)冰氣象條件中，較高的溫度、較大的水滴直徑使SLD具有獨(dú)特的撞擊軌跡與溢流性質(zhì)。探頭式方法利用特殊構(gòu)型的探頭與結(jié)冰傳感器，依靠常規(guī)水滴與SLD的撞擊位置或溢流特性的差異，實(shí)現(xiàn)二者的區(qū)分。具體而言，雙梭外形探頭的設(shè)計(jì)思路是依據(jù)邊界層理論中的黏性力上升原理，增大常規(guī)水滴在探頭特定區(qū)域周圍理想繞流的邊界層厚度，同時(shí)使SLD能夠撞擊探頭特定區(qū)域，以此區(qū)分常規(guī)水滴與SLD。邊界層速度厚度

δ

(

x

)與雷諾數(shù)Re及前緣距離

x

有直接關(guān)聯(lián)：

(1)

如圖1所示，在此設(shè)計(jì)思路下，常規(guī)水滴撞擊探頭斜面A后將直接結(jié)冰，而SLD在撞擊斜面A后將產(chǎn)生破碎、溢流的現(xiàn)象，液態(tài)水比例明顯增加。

圖1 雙梭型探頭設(shè)計(jì)原理示意圖

另外，常規(guī)水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡則因受邊界層黏性力影響較大，其理想繞流沿探頭表面法向向外推移，阻礙了絕大部分的常規(guī)水滴撞擊斜面B；而SLD由于受自身慣性力影響大于空氣黏性力，在表面張力和空氣剪切力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，通常用韋伯?dāng)?shù)

We

對(duì)SLD的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行描述，定義為大水滴慣性力與表面張力的比值：

(2)

SLD的阻力模型不再滿足剛性球體的假設(shè)，很大程度取決于受力之后的變形效應(yīng)，因此其中一部分從斜面A溢流并受氣流影響在渦區(qū)結(jié)冰，另一部分SLD，保持原有的運(yùn)動(dòng)軌跡，直接撞擊到探頭斜面B并結(jié)冰。依據(jù)上述原理，探頭表面SLD結(jié)冰與常規(guī)結(jié)冰的差異主要體現(xiàn)于斜面A及斜面B的水收集和相對(duì)結(jié)冰情況，通過(guò)構(gòu)建基于多源傳感器融合的結(jié)冰量識(shí)別模型，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)SLD結(jié)冰環(huán)境的監(jiān)測(cè)和區(qū)分。

2 結(jié)冰特性數(shù)值計(jì)算方法

2.1 流場(chǎng)計(jì)算

空氣流場(chǎng)計(jì)算是結(jié)冰數(shù)值模擬的第一步，通過(guò)在物體附近布置空間網(wǎng)格，用于求解非定常Navier-Stokes方程，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。空氣流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果都將用于后續(xù)水滴運(yùn)動(dòng)軌跡以及結(jié)冰流換熱系數(shù)的計(jì)算。

2.2 水滴計(jì)算

水滴運(yùn)動(dòng)軌跡采用歐拉法進(jìn)行計(jì)算，水滴的控制方程如下：

其中

U={uvw}

(4)

F={αuuuuvuw}

(5)

F={0 u-uv-vw-w}

(6)

式中，α為水滴容積分?jǐn)?shù)，u為水滴速度矢量，v為空氣速度矢量。

C為阻力系數(shù)，對(duì)于常規(guī)水滴：

(7)

對(duì)于

SLD

而言，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)從球形逐漸向扁圓盤形變化，需要對(duì)阻力模型進(jìn)行修正。

FENSAP

軟件中提供的方法為將球體阻力系數(shù)C與扁圓盤阻力系數(shù)C進(jìn)行加權(quán)平均：

C

,=

eC

,+(1-

e

)

C

,

(8)

其中C可由式(7)得到，而C與e的表達(dá)式如下：

(9)

(10)

當(dāng)水滴運(yùn)動(dòng)韋伯?dāng)?shù)We>13時(shí)，大水滴將發(fā)生破碎現(xiàn)象，認(rèn)為分裂后水滴速度的大小與方向不變，而新生成水滴的尺寸則由下式計(jì)算得到：

(11)

2.3 結(jié)冰熱力學(xué)模型

在過(guò)冷水滴撞擊到部件表面之后，需要對(duì)結(jié)冰表面劃分若干個(gè)控制體，建立基于

Messinger

理論的質(zhì)量和能力平衡方程，

FENSAP

軟件中采用的基于三維水膜流動(dòng)的結(jié)冰熱力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 水膜理論結(jié)冰熱力學(xué)模型

在控制體中，由于撞擊收集到的過(guò)冷水滴一部分會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)、結(jié)冰、升華等相變過(guò)程，另一部分在空氣剪切力或體積力的作用下向后溢流，水膜的流動(dòng)速度認(rèn)為與單元格坐標(biāo)點(diǎn)位置x=(x1,x2)和與壁面的法向距離y有關(guān)：

(12)

部件表面的水膜控制體質(zhì)量方程及能量輸運(yùn)方程如下：

(13)

質(zhì)量方程中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)由水膜高度的變化率構(gòu)成，對(duì)流項(xiàng)由水膜速度與水膜高度的乘積構(gòu)成，等式右側(cè)的源項(xiàng)分別為水滴撞擊的收集量、水膜表面蒸發(fā)量和結(jié)冰量；能量方程中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)由水膜高度變化所帶來(lái)的能量變換構(gòu)成，對(duì)流項(xiàng)由水膜速度與水膜能量的乘積構(gòu)成，等式右側(cè)的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)由水滴撞擊帶來(lái)的能量、蒸發(fā)帶走的潛熱、結(jié)冰帶來(lái)的潛熱和對(duì)流換熱帶走的潛熱構(gòu)成。

(15)

上述不等式提供的約束條件能夠保證在表面溫度低于冰點(diǎn)溫度的情況下沒(méi)有液態(tài)水膜的存在，并且在高于冰點(diǎn)溫度的情況下不存在結(jié)冰，聯(lián)立求解式(13)～(15)可得到某一時(shí)刻部件表面結(jié)冰量、溫度和水膜厚度。

本文采用

FENSAP

-

ICE

軟件中的

FENSAP

模塊、

DROP

3

D

、

ICE

3

D

分別進(jìn)行流場(chǎng)、水滴場(chǎng)和結(jié)冰量計(jì)算，計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 計(jì)算流程

3 SLD探測(cè)器結(jié)冰特性仿真

3.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

雙梭型探測(cè)器二維截面尺寸如圖4所示，外形沿中心軸線上下對(duì)稱，長(zhǎng)度為141

mm

，展向拉伸長(zhǎng)度為90

mm

，頭部前段斜面與中心軸線角度約為35°，后部斜面為15°，為了增加邊界層厚度，使得

SLD

運(yùn)動(dòng)軌跡和常規(guī)水滴能夠區(qū)分，探測(cè)器頭部、前后部斜面最高點(diǎn)及負(fù)壓渦區(qū)位置均做圓角處理，同時(shí)后部斜面最高點(diǎn)位置比前段高6.5

mm

，用以捕捉

SLD

。該構(gòu)型探測(cè)器外形及面網(wǎng)格如圖5所示，外部計(jì)算域取半徑為1.5

m

，展向(z軸方向)拉伸長(zhǎng)度為0.09

m

的圓柱域，計(jì)算域兩側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱面，拉伸面設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，探測(cè)器表面設(shè)為無(wú)滑移壁面。

圖4 探測(cè)器二維截面尺寸

圖5 探測(cè)器幾何模型

圖6顯示了計(jì)算域的網(wǎng)格分布，外流場(chǎng)網(wǎng)格采用遠(yuǎn)場(chǎng)四面體、近壁面棱柱單元的混合網(wǎng)格，探測(cè)器表面附近進(jìn)行近壁處理，具體參數(shù)如表1所示。

表1 外流場(chǎng)網(wǎng)格參數(shù)

圖6 計(jì)算域網(wǎng)格

3.2 計(jì)算工況

結(jié)冰氣象條件設(shè)置：0°攻角，來(lái)流速度為60

m/s

，環(huán)境壓力為75 000

Pa

，環(huán)境溫度263.15

K

，水滴直徑(

MVD

)分別取15、34、70、250，液態(tài)水含量(

LWC

)根據(jù)其與溫度和水滴直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從

CCAR

25部附錄

C

及附錄

O

中確定，結(jié)冰時(shí)間為90

s

，具體計(jì)算條件如表2所示。

表2 計(jì)算條件

3.3 水滴收集計(jì)算結(jié)果

水滴撞擊特性計(jì)算為積冰計(jì)算提供表面水收集系數(shù)、撞擊極限等參數(shù)。這些參數(shù)是積冰計(jì)算的輸入?yún)?shù)，使用

FENSAP

軟件的

DROP

3

D

模塊對(duì)雙梭型探測(cè)器構(gòu)型進(jìn)行表面水滴收集系數(shù)的求解，使用初始空氣流場(chǎng)算得的結(jié)果，分別輸入四種工況下的

MVD

和

LWC

。計(jì)算時(shí)，對(duì)

MVD

為15 和34 的工況設(shè)置為常規(guī)水滴；對(duì)

MVD

為70

m

和250 的工況激活

SLD

模型，并選擇相應(yīng)的阻力模型和水滴分布尺度。

四種工況下的水滴特性計(jì)算結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 工況1(15 )表面水收集系數(shù)(左)及液態(tài)水含量(LWC)分布(右)

圖8 工況2(34 )表面水收集系數(shù)(左)及液態(tài)水含量(LWC)分布(右)

圖9 工況3(70 )表面水收集系數(shù)

圖10 工況3(70 )液態(tài)水含量(LWC)分布

圖11 工況4(250 )表面水收集系數(shù)分布

圖12 工況4(250 )液態(tài)水含量(LWC)分布

由計(jì)算結(jié)果可以看出工況1、工況2水滴直徑分別為15

μm

和34

μm

的情況下，水滴撞擊在探頭構(gòu)型的第一個(gè)迎風(fēng)面上，第二個(gè)迎風(fēng)面在水滴遮蔽范圍之內(nèi)，并無(wú)收集；工況3、工況4水滴直徑分別為70

μm

和250

μm

的情況下，水滴撞擊區(qū)域擴(kuò)大到了探頭構(gòu)型的第二個(gè)迎風(fēng)面，并且隨著水滴粒徑的增加，第二個(gè)迎風(fēng)面處的水滴撞擊范圍和收集率也在增加。

圖13給出了工況1～工況4在探頭構(gòu)型展向中間位置的水收集系數(shù)二維曲線。

圖13 不同工況水收集系數(shù)對(duì)比

可以看出，相比常規(guī)水滴直徑的工況1(15 )和工況2(34 )，工況3(70 )和工況4(250 )的收集系數(shù)和峰值明顯較大，且隨著水滴粒徑的增加，在第一個(gè)迎風(fēng)面處的表面收集率逐漸趨于均勻，這是由于

SLD

本身的運(yùn)動(dòng)特性使得水滴軌跡受空氣流線作用較小，幾乎全部撞擊在迎風(fēng)表面上。當(dāng)水滴直徑大于70 時(shí)，撞擊區(qū)域開(kāi)始擴(kuò)展到第二個(gè)迎風(fēng)面的上下表面。

3.4 結(jié)冰計(jì)算結(jié)果

使用

FENSAP

軟件的

ICE

3

D

模塊進(jìn)行探頭構(gòu)型結(jié)冰量及分布的計(jì)算，基于空氣流場(chǎng)的熱流和剪切力的結(jié)果，以及水滴場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果輸入，分別計(jì)算四種工況下的結(jié)冰特性。計(jì)算時(shí)，根據(jù)結(jié)冰工況條件選擇對(duì)應(yīng)的

Glaze

Ice

(明冰)模型；此外，由于結(jié)冰粗糙度對(duì)冰型特征和結(jié)冰量影響較大，還需開(kāi)啟等效沙粒粗糙度模型對(duì)流場(chǎng)的對(duì)流換熱系數(shù)和剪切力進(jìn)行相應(yīng)的修正。

四種工況下的結(jié)冰特性計(jì)算結(jié)果如圖14～圖19所示：

圖14 工況1(15 )頭部冰型結(jié)果

圖15 工況2(34 )頭部冰型結(jié)果

圖16 工況3(70 )頭部冰型結(jié)果

圖17 工況3(70 )后部冰型結(jié)果

圖18 工況4(250 )頭部冰型結(jié)果

圖19 工況4(250 )后部冰型結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，四種工況下的探測(cè)器表面結(jié)冰分布與水滴收集的分布一致，工況1(15 )和工況2(34 )僅在頭部位置結(jié)冰，隨著水滴直徑的增加，頭部位置的結(jié)冰量和結(jié)冰范圍不斷增加；工況3(70 )、工況4(250 )的結(jié)冰范圍擴(kuò)展到了探測(cè)器的后部迎風(fēng)面位置。

3.5 帶攻角條件下結(jié)冰特性分析

由于在真實(shí)飛行條件下的不同飛行階段中往往會(huì)根據(jù)飛機(jī)性能的要求調(diào)整飛行姿態(tài)，其中俯仰方向的變化會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)攻角的產(chǎn)生，當(dāng)雙梭構(gòu)型探頭對(duì)稱面軸線與來(lái)流方向存在一定的攻角時(shí)，常規(guī)水滴與大水滴氣象條件下的結(jié)冰分布特性與0°攻角時(shí)會(huì)存在差異，下面將選取3個(gè)不同飛行階段中的典型結(jié)冰氣象工況點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算條件如表3所示。

表3 帶攻角計(jì)算條件

圖20～圖25分別計(jì)算了直徑為34

μm

和250

μm

的水滴在待機(jī)、爬升和下降三種飛行階段中帶攻角的情況下水滴收集和冰型分布的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

圖20 待機(jī)工況(攻角4.8°)液態(tài)水含量分布34 μm(左)250 μm(右)

圖21 爬升工況(攻角13.2°)液態(tài)水含量分布34 μm(左)250 μm(右)

圖22 下降工況(攻角0.8°)液態(tài)水含量分布34 μm(左)250 μm(右)

圖23 待機(jī)工況(攻角4.8°)冰型分布結(jié)果34 μm(上)直徑250 μm(下)

圖24 爬升工況(攻角13.2°)表面水收集系數(shù)分布34 μm(上)250 μm(下)

圖25 下降工況(攻角0.8°)冰型分布結(jié)果34 μm(上)250 μm(下)

在小攻角(0.8°)下降工況時(shí)，該探頭構(gòu)型的水滴收集分布與冰型結(jié)果受攻角的影響較小，其分布特征與0°時(shí)非常接近；在處于待機(jī)工況(4.8°)時(shí)，常規(guī)水滴(34

μm

)運(yùn)動(dòng)軌跡在下表面與后部斜面距離逐漸接近，但仍未產(chǎn)生收集，此時(shí)大水滴(250

μm

)在上表面后部斜面已形成水滴遮蔽區(qū)，結(jié)冰分布全部位于下表面后部斜面；在處于大攻角(13.2°)爬升工況時(shí)，常規(guī)水滴(34

μm

)開(kāi)始撞擊到后部斜面位置，并形成少量結(jié)冰，大水滴(250

μm

)的結(jié)冰區(qū)域仍全部位于下表面，但分布范圍擴(kuò)展到了頭部的背風(fēng)面位置，在負(fù)壓渦區(qū)同樣形成了結(jié)冰。

綜合上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在帶攻角的條件下飛行時(shí)，該探頭構(gòu)型的結(jié)冰分布特性產(chǎn)生了一定程度的變化，隨著攻角的增加，常規(guī)水滴也會(huì)在后部斜面位置形成結(jié)冰，僅通過(guò)后部斜面是否結(jié)冰無(wú)法區(qū)分大水滴與常規(guī)結(jié)冰條件，需要引入更多位置的結(jié)冰分布和結(jié)冰量特征，如頭部背風(fēng)面、負(fù)壓渦區(qū)以及攻角信號(hào)綜合進(jìn)行判斷。

4 探測(cè)器冰風(fēng)洞試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)說(shuō)明

根據(jù)上述仿真計(jì)算結(jié)果，雙梭型探頭能夠使得不同水滴直徑的撞擊區(qū)域不同，通過(guò)計(jì)算在后部第二迎風(fēng)面位置處的結(jié)冰量及分布可以初步判斷是否存在

SLD

結(jié)冰條件。為了得到探測(cè)器表面結(jié)冰特性更精確的結(jié)果，需要對(duì)其進(jìn)行冰風(fēng)洞試驗(yàn)以驗(yàn)證該探頭構(gòu)型在特定工況條件下區(qū)分

SLD

與常規(guī)水滴的能力。試驗(yàn)中使用了在探頭表面布置光纖傳感器的方法測(cè)量結(jié)冰厚度及其分布，光纖結(jié)冰傳感器屬于一種基于光反射及散射原理的光強(qiáng)調(diào)制型傳感器，圖26為楔形光纖結(jié)冰傳感器基本原理示意圖，由

LED

光源發(fā)射的近紅外光從玻璃光纖束出射至探測(cè)端面。當(dāng)探測(cè)端面發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象時(shí)，出射光將在冰層內(nèi)經(jīng)歷折射、反射、散射、吸收等過(guò)程。部分反射光及散射光進(jìn)入接收光纖束，其末端的光電管陣列對(duì)耦合光束的強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)，傳感器依據(jù)信號(hào)幅值大小判斷結(jié)冰情況。

圖26 楔形光纖結(jié)冰傳感器原理示意圖

光纖傳感器的布置位置如圖27所示，傳感器1安裝在探頭前段頭部區(qū)域，傳感器2和3分別位于探測(cè)器的第一和第二迎風(fēng)斜面上，在遭遇結(jié)冰氣象條件時(shí)，傳感器1能夠保證結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)的告警觸發(fā)，該位置處的結(jié)冰量最大，在遭遇

SLD

條件時(shí)傳感器2和3位置處將會(huì)觸發(fā)結(jié)冰信號(hào)。

圖27 光纖傳感器的安裝位置

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

冰風(fēng)洞試驗(yàn)在四川綿陽(yáng)中國(guó)空氣動(dòng)力研究中心風(fēng)洞進(jìn)行，具體為0.3

m

×0.2

m

引導(dǎo)性結(jié)冰風(fēng)洞。探測(cè)器模型為1∶1，探測(cè)器固定于風(fēng)洞試驗(yàn)段的平臺(tái)上，光纖傳感器的測(cè)量系統(tǒng)與外部計(jì)算機(jī)相連，用于記錄接受光纖的電壓信號(hào)從而轉(zhuǎn)換為結(jié)冰厚度，對(duì)表2中的狀態(tài)1和狀態(tài)3分別進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖28～圖31所示。

圖28 工況1(15 )三路光纖輸出電壓信號(hào)

圖28和圖30中輸出電壓信號(hào)的光纖傳感器共有3個(gè)，分別用

V

1、

V

2、

V

3表示，其中實(shí)線代表第一路接收光纖的信號(hào)，用于探測(cè)表面是否存在結(jié)冰；虛線代表第二路接收光纖的信號(hào)，用于測(cè)量結(jié)冰厚度。圖29和圖31體現(xiàn)了探測(cè)器表面的結(jié)冰分布情況。綜合圖28和圖29中光纖輸出電壓信號(hào)以及探測(cè)器表面結(jié)冰情況，對(duì)于常規(guī)水滴結(jié)冰條件，結(jié)冰區(qū)域集中在探測(cè)器頭部及第一迎風(fēng)面的位置處，且

V

1處的結(jié)冰厚度相比

V

2較大，探測(cè)器后部斜面幾乎無(wú)結(jié)冰；圖30和圖31則反映了

SLD

結(jié)冰條件下的表面結(jié)冰情況，此時(shí)位于后部斜面的

V

3傳感器有明顯的結(jié)冰信號(hào)輸出，且結(jié)冰厚度大于

V

1和

V

2的位置。

圖29 工況1(15 )探頭表面結(jié)冰分布

圖30 工況3(70 )三路光纖輸出電壓信號(hào)

圖31 工況3(70 )探頭表面結(jié)冰分布

4.3 試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

根據(jù)圖27中傳感器安裝的三個(gè)位置進(jìn)行結(jié)冰厚度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖32和圖33所示。

圖32 常規(guī)水滴(15 )結(jié)冰厚度對(duì)比

圖33 大水滴(70 )結(jié)冰厚度對(duì)比

由圖32和圖33可以看出，仿真結(jié)果和試驗(yàn)在結(jié)冰厚度方面存在一定的誤差，常規(guī)水滴條件下仿真結(jié)果低于試驗(yàn)，大水滴條件下則位置1和位置2處高于試驗(yàn)，位置3處低于試驗(yàn)結(jié)果。分析可能產(chǎn)生誤差的原因，具體為在冰風(fēng)洞中進(jìn)行的試驗(yàn)具有一定的地面效應(yīng)，導(dǎo)致探頭表面沿展向分布并不均勻。由圖33可以看出，實(shí)際冰厚從探測(cè)器固定端向上逐漸偏大，因此在位置1和位置2處的結(jié)冰厚度試驗(yàn)高于仿真結(jié)果；

SLD

條件下的分布情況則正好相反，試驗(yàn)中位置1和位置2處的位置1和位置2處的結(jié)冰厚度相比常規(guī)水滴均有所減少，且均小于探測(cè)器后部迎風(fēng)面位置3處的結(jié)冰量，原因在于高溫低速下的明冰工況條件以及大水滴可能產(chǎn)生的破碎、飛濺和反彈效應(yīng)使得水滴在撞擊至表面之后并未立即凍結(jié)，而是繼續(xù)向后溢流，由圖31也可以看出，大水滴的溢流位置在前部迎風(fēng)面的背部斜面上。

5 結(jié)論

1)雙梭型探測(cè)器在常規(guī)水滴和大水滴條件下的結(jié)冰特性具有明顯的區(qū)別，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明可以通過(guò)探測(cè)器不同位置處的結(jié)冰情況判斷是否存在

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結(jié)冰條件，具備一定的區(qū)分兩種結(jié)冰條件的能力。2)仿真計(jì)算的冰厚結(jié)果相比試驗(yàn)有一定的差距，且并未體現(xiàn)由于

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產(chǎn)生的溢流效應(yīng)導(dǎo)致探測(cè)器后部迎風(fēng)面位置處的結(jié)冰量明顯高于頭部及前部迎風(fēng)面的現(xiàn)象，后續(xù)應(yīng)對(duì)計(jì)算域劃分進(jìn)行修正，使其符合實(shí)際風(fēng)洞的流場(chǎng)環(huán)境，并加入

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破碎、飛濺和反彈的細(xì)化模型。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)和仿真結(jié)果只能正向表征兩種結(jié)冰條件下該探頭構(gòu)型的結(jié)冰特性，但對(duì)于判斷多種復(fù)雜結(jié)冰氣象條件下是否存在

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條件的區(qū)分能力和區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)仍有待探究，需要對(duì)其外形進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并建立相應(yīng)的區(qū)分指標(biāo)參數(shù)。