含盐海水飞沫的结冰风洞试验相似准则

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29297

结冰与防除冰

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含盐海水飞沫的结冰风洞试验相似准则

刘宇¹, 秦梦婕¹, 王强¹^,², 易贤¹^,²()

^1.中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，绵阳 621000
^2.中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室，绵阳 621000

收稿日期:2023-07-10 修回日期:2023-07-16 接受日期:2023-08-07 出版日期:2023-12-25 发布日期:2023-08-24
通讯作者: 易贤 E-mail:yixian_2000@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12172372);国家重大科技专项(J2019-III-0017-0061)

Scaling law for salty sea spray icing wind tunnel test

Yu LIU¹, Mengjie QIN¹, Qiang WANG¹^,², Xian YI¹^,²()

^1.Low Speed Aerodynamic Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^2.Anti/de-icing Key Laboratory，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2023-07-10 Revised:2023-07-16 Accepted:2023-08-07 Online:2023-12-25 Published:2023-08-24
Contact: Xian YI E-mail:yixian_2000@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12172372);National Major Science and Technology Projects(J2019-III-0017-0061)

摘要/Abstract

摘要：

舰船在极地低温海域航行时，空气中存在大量低温含盐海水飞沫。长时间暴露在飞沫中会导致舰船结构结冰，影响正常航行。结冰风洞试验是研究飞沫结冰问题的重要手段，但使用含盐水会腐蚀设备，目前无法在大型结冰风洞中进行飞沫结冰试验。开展含盐海水飞沫结冰的相似准则研究，可以实现使用纯水模拟含盐飞沫结冰。通过测试和分析多种组分的海水样本物性参数，在经典相似理论的基础上，补充水膜厚度的韦伯数调和含盐水与纯水的表面张力差异，重新构造含盐水的冻结系数确保相变过程能量守恒。最终建立含盐飞沫结冰的参数方程，形成对应的相似转换方法流程。对NACA0012模型在飞沫结冰条件下的试验工况进行转换，使用NNW-ICE软件验证相似准则。结果表明，通过建立的相似准则，使用纯水可以模拟含盐飞沫结冰冰形，为大型结冰风洞开展含盐飞沫结冰研究提供了有力理论支撑。

关键词: 海水飞沫, 舰船结冰, 风洞试验, 相似准则

Abstract:

When ships navigate in polar regions， a large amount of low-temperature salt-containing spray exists in the air. Long-term exposure to the spray can cause the upper structure of the vessel and the internal intake of gas turbines to freeze， affecting the normal navigation of the ship. Large-scale icing wind tunnels can simulate the ice accretion of sea spray on ship components or scaled models， but the corrosive effect of seawater spray can endanger equipment’s safety. Therefore， sea spray icing experiments were conducted on small-scale equipment. The study of scaling law was conducted in a wind tunnel to simulate the icing of salinity sea spray. Physical properties were tested on various components of seawater samples， obtaining the surface tension， thermal conductivity， specific heat capacity， phase transition temperature， and latent heat. On the basis of classical similarity theory， the main differences between the icing of sea spray and pure water were analyzed. The classical icing wind tunnel scaling law was adopted and modified with the extension of the water film similarity and sea spray freezing coefficient. Ultimately， a scaling parameter equation for salinity sea spray icing was established， along with a corresponding process for scaling transformation. The icing condition of the NACA0012 model under sea spray conditions was scaled with the established scaling law， and the NNW-ICE software is used to validate the scaling law. The results indicate that via establishing the scaling law， it is possible to simulate the ice shape of salinity sea spray using pure water in icing wind tunnel tests. This study provides significant theoretical support for large-scale icing wind tunnels to conduct sea spray icing tests.

Key words: sea spray, vessel icing, wind tunnel test, scaling law

中图分类号:

V211.71

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.

Yu LIU, Mengjie QIN, Qiang WANG, Xian YI. Scaling law for salty sea spray icing wind tunnel test[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729297-729297.

图/表 18

表 1

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表 2

图 6

表3

图7

图 8

表 4

R1工况及其转换工况的相似准则数对比

工况	$K 0$	$n 0$	θ	φ	b	$W e k$
R1	3.40	0.29	6.33	3.55	0.41	0.56
S1-1	3.39	0.30	12.39	3.97	0.53	0.55
S1-2	3.33	0.29	5.51	4.59	0.29	0.56

表 4

图 9

表 5

图 10

表 6

R2工况及其转换工况的相似准则数对比

工况	$K 0$	$n 0$	θ	φ	b	$W e k$
R2	3.40	1.14	24.75	19.07	0.34	0.56
S2-1	3.39	1.22	25.02	18.98	0.31	0.58
S2-2	3.37	0.96	23.48	17.67	0.39	0.57

表 6

表 7

R3工况及其转换工况的相似准则数对比

工况	$K 0$	$n 0$	θ	φ	b	$W e k$
R3	3.38	0.46	10.47	6.19	0.34	0.56
S3-1	3.38	0.46	10.28	6.19	0.33	0.52

表 7

图 11

参考文献 33

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样品编号	1#	2#	3#	4#	5#	6#	7#
含盐种类	NaCl	MgCl₂	KCl	CaSO₄	MgSO₄	混合盐	纯水
含盐量/（g·L^-1）	23.65	4.06	0.71	1.58	0.71	30.71	0

水	表面张力/（mN·m^-1）	比热容/（J·（g·K）^-1）	相变温度/℃	相变潜热/（J·g^-1）
含盐水	59.421	3.982	-4.47	249.5
纯水	70.447	4.274	0	345.3

工况	静温/℃	压力/kPa	风速/（m·s^-1）	MVD/μm	LWC/（g·m^-3）	时间/s	弦长/m	液态水
R1	-10	6.17	80	30	0.50	1 350	1.07	混合盐
C1	-10	6.17	80	30	0.5	1 350	1.07	纯水
S1-1	-7	6.17	60	33.5	0.69	1 304	1.07	纯水
S1-2	-6	6.17	110	26.3	0.28	1 753	1.07	纯水

工况	静温/℃	压力/kPa	风速/（m·s^-1）	MVD/μm	LWC/（g·m^-3）	时间/s	弦长/m	液态水
R2	-20	6.16	80	30.0	0.50	1 350	1.066	混合盐
C2	-20	6.16	80	30.0	0.50	1 350	1.066	纯水
S2-1	-19	10.1	60	24.6	0.72	625	0.533	纯水
S2-2	-18	10.1	60	37.9	0.64	1 406	1.066	纯水
R3	-10	6.17	80	30.0	0.50	1 350	1.066	混合盐
S3-1	-6.9	5.80	79	19.5	0.50	685	0.533	纯水

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Scaling law for salty sea spray icing wind tunnel test

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