多尺寸水滴喷雾掺混增强效应

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29130

结冰与防除冰

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

多尺寸水滴喷雾掺混增强效应

徐晓刚¹^,², 张扬¹^,²(), 王天波³, 马旭东¹^,², 陈刚¹^,²

^1.复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室，西安 710049
^2.西安交通大学航天航空学院，西安 710049
^3.航空工业西飞民用飞机有限责任公司，西安 710089

收稿日期:2023-06-05 修回日期:2023-06-30 接受日期:2023-09-01 出版日期:2023-12-26 发布日期:2023-09-13
通讯作者: 张扬 E-mail:youngz@xjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11602199);复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室项目

Mixing enhancement effect of multi-size water droplet spray

Xiaogang XU¹^,², Yang ZHANG¹^,²(), Tianbo WANG³, Xudong MA¹^,², Gang CHEN¹^,²

^1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures，Xi’an 　710049，China
^2.School of Aerospace Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 　710049，China
^3.AVIC XAC Commercial Aircraft Co. ，Ltd. ，Xi’an 　710089，China

Received:2023-06-05 Revised:2023-06-30 Accepted:2023-09-01 Online:2023-12-26 Published:2023-09-13
Contact: Yang ZHANG E-mail:youngz@xjtu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11602199);State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures Project

摘要/Abstract

摘要：

为保障现代飞行器在结冰气象条件下的安全性，AC20-71A文件给出了适航条例符合性验证试验的具体方法，尤其冰风洞试验和人造冰云与真实结冰条件的一致性是当前研究的重点。为减弱不同粒径水滴空间分布差异带来的表面冰形特征变化，设计了一种诱使气流自旋并掺混离散不同尺寸水滴空间分布情况的旋涡发生器，采用离散随机运动模型（DRW）和水滴粒度分布函数Rosin-Rammler，研究水滴喷射角和旋涡发生器结构变化对水滴空间分布的影响，发现旋涡发生器产生的环形低压区能有效改善水滴轴线积聚现象，结合核密度分析方法，确定最佳的均匀化测试截面在距旋涡发生器10倍厚度400 mm处，15°偏转角和5°喷射角的掺混增强效应最强。

关键词: 结冰, 掺混, 旋涡发生器, 核密度分析, 均匀化

Abstract:

To ensure the safety of modern aircraft under icing meteorological conditions， document AC20-71A provides specific methods for compliance testing with airworthiness regulations， among which the consistency of ice wind tunnel tests and artificial ice cloud droplets with real icing conditions are the focus of current research. To attenuate the changes in surface ice shape characteristics caused by differences in the spatial distribution of water droplets of different particle sizes， we design a vortex generator to induce airflow spin and mix the spatial distribution of discrete water droplets of different sizes. A Discrete Random Walk （DRW） model and the Rosin-Rammler droplet size distribution function are used to investigate the effects of changes in the droplet jet angle and vortex generator structure on the spatial distribution of droplets. The annular low-pressure zone generated by the vortex generator is found to be effective in improving the droplet axial accumulation phenomenon. Combining the kernel density estimation method， we determine that the optimal homogenization test cross-section is about 400 mm， 10 times the thickness of the vortex generator， and the strongest doping enhancement effect to be achieved at a 15° deflection angle and a 5° jetting angle.

Key words: icing, mixing, vortex generator, kernel density estimation, homogenization

中图分类号:

V211.41

徐晓刚, 张扬, 王天波, 马旭东, 陈刚. 多尺寸水滴喷雾掺混增强效应[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729130-729130.

Xiaogang XU, Yang ZHANG, Tianbo WANG, Xudong MA, Gang CHEN. Mixing enhancement effect of multi-size water droplet spray[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729130-729130.

图/表 14

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

表 1

计算状态

序号	偏转角 $θ / (°)$	喷射角 $φ / (°)$
VG1_5	15	5
VG1_15	15	15
VG1_30	15	30
VG2_5	45	5
VG3_5	90	5
VG0		5/15/30

表 1

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图13

参考文献 32

1	CZERNKOVICH N. Understanding in-flight icing［C］∥Transport Canada Aviation Safety Seminar. 2004： 1-21.
2	IRVINE T， KEVDZIJA S， SHELDON D， et al. Overview of the icing and flow quality improvements program for the NASA-Glenn Icing Research Tunnel［C］∥Proceedings of the 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2001.
3	VECCHIONE L， DE MATTEIS P. An overview of the CIRA icing wind tunnel［C］∥Proceedings of the 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2003.
4	IRANI E， AL-KHALIL K. Calibration and recent upgrades to the Cox icing wind tunnel［C］∥Proceedings of the 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2008.
5	WONG S C， TAN S， PAPADAKIS M. Spray rig design for airborne icing tankers［C］∥Proceedings of the 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2007.
6	FLEMMING R， ALLDRIDGE P， DOEPPNER R. Artificial icing tests of the S-92A helicopter in the McKinley climatic laboratory［C］∥Proceedings of the 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2004.
7	REASOR D Jr， LECHNIAK J， BHAMIDIPATI K， et al. Fluid-structure modeling and simulation of a modified KC-135 icing tanker boom［C］// Proceedings of the 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston： AIAA， 2013.
8	中国民用航空局．运输类飞机适航标准：CCAR-25-R4 ［S］. 北京：中国民用航空局，2016： 186-188.
	Civil Aviation Administration of China. Air-worthiness standards for transport aircraft： CCAR-25-R4 ［S］. Beijing： Civil Aviation Administration of China， 2016： 186-188 （in Chinese）.
9	Federal Aviation Administration. Airplane ice protection： AC-73A ［S］. Washington， D.C.： Federal Aviation Administration， 2006.
10	闫鹏庆，牛亚宏. 人工模拟结冰飞行试验技术研究［J］. 民用飞机设计与研究， 2018（1）： 71-74.
	YAN P Q， NIU Y H. Research on artificial icing flight test technology［J］. Civil Aircraft Design & Research， 2018（1）： 71-74 （in Chinese）.
11	FLEMMING R， PAPADAKIS M， MURTY H， et al. The design， fabrication， and testing of simulated ice shapes for the S-92A helicopter［C］∥Proceedings of the 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2004.
12	SAE. Airborne icing tankers： ARP-5904［R］. Warrendale： SAE International， 2007.
13	郭向东，张平涛，赵照，等. 大型结冰风洞云雾场适航应用符合性验证［J］. 航空学报， 2020， 41（10）： 123879.
	GUO X D， ZHANG P T， ZHAO Z， et al. Airworthiness application compliance verification of cloud flowfield in large icing wind tunnel［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（10）： 123879 （in Chinese）.
14	郭向东，柳庆林，赖庆仁，等. 大型结冰风洞气流场适航符合性验证［J］. 空气动力学学报， 2021， 39（2）： 184-195.
	GUO X D， LIU Q L， LAI Q R， et al. Airworthiness compliance verification of aerodynamic flowfield of a large-scale icing wind tunnel［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2021， 39（2）： 184-195 （in Chinese）.
15	牛亚宏，吕文杰. Y-8结冰喷水机改装设计与实现［J］. 飞行力学， 2017， 35（3）： 93-96.
	NIU Y H， LYU W J. Modification design and implementation of Y-8 airborne icing tanker［J］. Flight Dynamics， 2017， 35（3）： 93-96 （in Chinese）.
16	牛亚宏，闫鹏庆. 结冰喷水机设计准则研究［J］. 飞行力学， 2017， 35（2）： 72-75.
	NIU Y H， YAN P Q. Research on design criteria of airborne icing tanker［J］. Flight Dynamics， 2017， 35（2）： 72-75 （in Chinese）.
17	POTAPCZUK M， MILLER D， IDE R， et al. Simulation of a Bi-modal large droplet icing cloud in the NASA icing research tunnel［C］∥Proceedings of the 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2005.
18	VAN ZANTE J， IDE R， STEEN L C. NASA Glenn icing research tunnel： 2012 cloud calibration procedure and results［C］∥Proceedings of the 4th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference. Reston： AIAA， 2012.
19	ESPOSITO B. Application of optical methods for icing wind tunnel cloud simulation extension to supercooled large droplets［C］∥ILASS Americas， 23rd Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems， 2011.
20	ORCHARD D M， CLARK C， OLESKIW M. Development of a supercooled large droplet environment within the NRC altitude icing wind tunnel： 2015-01-2092［R］. Warrendale： SAE International， 2015.
21	李斯，束珺，张志强，等. 冰风洞过冷大水滴云雾水滴质量分布模拟［J］. 南京航空航天大学学报， 2023， 55（1）： 146-153.
	LI S， SHU J， ZHANG Z Q， et al. Study on simulation for droplet mass distribution of supercooled large droplet cloud in icing wind tunnel［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2023， 55（1）： 146-153 （in Chinese）.
22	陈舒越，郭向东，王梓旭，等. 结冰风洞过冷大水滴粒径测量初步研究［J］. 实验流体力学， 2021， 35（3）： 22-29.
	CHEN S Y， GUO X D， WANG Z X， et al. Preliminary research on size measurement of supercooled large droplet in icing wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2021， 35（3）： 22-29 （in Chinese）.
23	WONG S C， PAPADAKIS M， TAN S. Computational and experimental investigation of a spray rig for airborne icing tankers［C］∥Proceedings of the 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2008.
24	李浩，程嘉辉，孙春亚，等. 基于CFD-DPM的大规模颗粒-流体系统数值仿真与分析［J］. 机械工程学报， 2022， 58（22）： 450-461.
	LI H， CHENG J H， SUN C Y， et al. Numerical simulation and analysis of large-scale particle fluid system based on CFD-DPM method［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2022， 58（22）： 450-461 （in Chinese）.
25	GOSMAN A D， LOANNIDES E. Aspects of computer simulation of liquid-fueled combustors［J］. Journal of Energy， 1983， 7（6）： 482-490.
26	BARDINA J， HUANG P， COAKLEY T， et al. Turbulence modeling validation［C］∥Proceedings of the 28th Fluid Dynamics Conference. Reston： AIAA， 1997.
27	KUMAR R， GOPIREDDY S R， JANA A K， et al. Study of the discharge behavior of Rosin-Rammler particle-size distributions from hopper by discrete element method： a systematic analysis of mass flow rate， segregation and velocity profiles［J］. Powder Technology， 2020， 360： 818-834.
28	ROSENBLATT M. Remarks on some nonparametric estimates of a density function［J］. The Annals of Mathematical Statistics， 1956， 27（3）： 832-837.
29	PARZEN E. On estimation of a probability density function and mode［J］. The Annals of Mathematical Statistics， 1962， 33（3）： 1065-1076.
30	SILVERMAN B W. Density estimation for statistics and data analysis［M］. Boca Raton： CRC Press， 1986： 7-15.
31	EPANECHNIKOV V A. Non-parametric estimation of a multivariate probability density［J］. Theory of Probability & Its Applications， 1969， 14（1）： 153-158.
32	WAND M P， JONES M C. Kernel smoothing［M］. Boca Raton： CRC Press， 1994： 90-116.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	高郭池, 张波, 全敬泽, 尹崇, 丁丽, 姜裕标. 正常类飞机自然结冰试飞适航审定技术[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 128531-128531.
[2]	熊华杰, 安怡竞, 吴主龙, 周志宏. 欧拉壁膜模型在结冰模拟中的扩展[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729287-729287.
[3]	刘进一, 熊建军, 桂康, 葛俊锋, 叶林. 基于多光谱和复阻抗的复合结冰探测技术[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729309-729309.
[4]	杨映麟, 常士楠, 石奇玉, 齐海峰. 气流剪切作用下的水膜实验[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 251-259.
[5]	张丽芬, 余邦拓, 徐弘历, 赵建辉, 徐致远, 刘振侠. 直升机多管式分离器结冰及压降损失[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729303-729303.
[6]	苏鑫, 管润程, 王桥, 苑伟政, 吕湘连, 何洋. 基于深度学习的结冰区域和厚度检测方法[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729283-729283.
[7]	刘冠冕, 张帆, 程志航, 杨康智, 秦何军. 多发螺旋桨飞机结冰气象探测器安装位置研究[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729295-729295.
[8]	石达志, 桑为民, 李世杰, 安博. 基于LBM的结冰表面水滴撞击特性数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729192-729192.
[9]	刘宇, 秦梦婕, 王强, 易贤. 含盐海水飞沫的结冰风洞试验相似准则[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729297-729297.
[10]	陈方备, 戴铮, 崔燚, 吴健. 有限空间竖直壁面的结冰特性[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729294-729294.
[11]	王立国, 周靓, 张颂, 吴勇, 李鹏, 陈佳兴. 直升机旋翼防除冰技术研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729458-729458.
[12]	张鸿健, 张晏鑫, 熊建军, 赵照, 冉林, 易贤. 冰层中相控阵超声波束传播特性的数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729289-729289.
[13]	农历, 盛子帅, 冼军, 张怀宝. 基于高精度算法的结冰翼型分离流动数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729291-729291.
[14]	胡应交, 徐峰, 杨志军. 航空发动机整机防结冰试验能力综述[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729449-729449.
[15]	许岭松, 吴渊, 朱东宇, 张付昆, 刘昱. FL⁃61结冰风洞翼型俯仰振荡机构研制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729296-729296.

多尺寸水滴喷雾掺混增强效应

Mixing enhancement effect of multi-size water droplet spray

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 32

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价