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大型结冰风洞云雾场适航应用符合性验证
郭向东, 张平涛, 赵照, 赖庆仁, 郭龙     
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
摘要: 结冰风洞云雾场符合性是大型结冰风洞适航应用的基础。为验证3 m×2 m结冰风洞云雾场符合性,发展了基于SAE ARP5905的结冰风洞云雾场符合性验证方法,针对主试验段构型,开展了结冰云雾场符合性验证试验,获得了试验段内液滴尺寸和液态水含量拟合关系,考察了喷嘴水压、液滴尺寸、试验段气流速度和喷嘴数量对试验段液态水含量的影响,形成了主试验段结冰云雾控制包线。结果表明:主试验段内液滴尺寸分布具有显著的单峰分布特征,体积中值直径(MVD)模拟范围近似在10~75 μm之间;试验段中心处液态水含量随着喷嘴水压和MVD的增大而增大,同时近似与试验段气流速度成反比,与喷嘴数量成正比;增大喷嘴水压和喷嘴数量会提高试验段内云雾液态水含量空间均匀性,但是增大气流速度却会减弱试验段内云雾空间均匀性;3 m×2 m结冰风洞主试验段结冰云雾控制包线可以覆盖大部分适航条例25部附录C结冰气象条件,但对低液态水含量结冰条件的模拟仍存在局限。
关键词: 飞机结冰    结冰风洞    主试验段    云雾场    适航应用    
Airworthiness application compliance verification of cloud flowfield in large icing wind tunnel
GUO Xiangdong, ZHANG Pingtao, ZHAO Zhao, LAI Qingren, GUO Long     
Key Laboratory of Icing and Anti/De-Icing, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China
Abstract: The compliance of the cloud flowfield of large icing wind tunnels is the foundation of their airworthiness application. To verify the compliance of the cloud flowfield of the 3 m×2 m icing wind tunnel, a verification method based on SAE ARP5905 is firstly developed, followed by a verification test on the main test section, from which the fitting relationships of droplet sizes and liquid water content are obtained. In addition, the effect of the nozzle water pressure, droplet sizes, test section velocity and nozzle number on the test section liquid water content are examined. Finally, the icing cloud operating envelop is built for the main test section. Results show that the distribution of droplet sizes is unimodal and the simulation range is approximately from 10 to 75 μm. Furthermore, the liquid water content in the center of the test section increases as the nozzle water pressure and Median Volume Diameter (MVD) increase, while approximately inversely proportional to the test section velocity and proportional to the nozzle number. Increased nozzle water pressure and nozzle number would enhance the spatial uniformity of the cloud liquid water content in the test section; however, increased test section velocity could reduce the spatial uniformity of the cloud. Moreover, although the icing cloud operating envelop of the 3 m×2 m icing wind tunnel for the main test section could cover most of the icing atmospheric conditions listed in Appendix C, Part 25 of FAR, limitations still exist for simulations under low liquid water content conditions.
Keywords: aircraft icing    icing wind tunnel    main test section    cloud flowfield    airworthiness application    

结冰风洞是开展飞机结冰研究、验证飞机防除冰系统性能的重要地面试验设备,其在飞机结冰适航审定中扮演着重要角色[1-3]。为满足飞机结冰适航审定试验需求,结冰风洞必须开展全面的云雾场校测评估,验证其适航应用符合性[4]。近年来,随着国内大型结冰风洞——3 m×2 m结冰风洞的建成,在C919、CR929等国产大型客机结冰适航审定的需求牵引下,3 m×2 m结冰风洞云雾场适航应用符合性亟待得到验证。

世界范围内主要结冰风洞均开展了全面的云雾场校测评估,为其适航应用奠定了基础[5-16]。其中,美国NASA Glenn中心IRT结冰风洞在该领域研究的最全面[5-9],建立了系统的结冰云雾校测方法,先后开展了多期校测试验,全面验证了云雾场适航应用符合性。意大利CIRA结冰风洞作为国际上尺寸最大、性能最完善的结冰风洞之一[10-12],同样发展了配套的结冰云雾场校测设备和方法,针对其主试验段、次试验段和高速试验段3种试验构型,均开展了全面的云雾场校测,奠定了该风洞适航应用基础。此外,一些小尺寸结冰风洞同样开展了系统的结冰云雾场校测试验研究,例如美国波音公司BRAIT结冰风洞[13]、Cox公司结冰风洞[14]、Goodrich公司DSSD结冰风洞[15]、加拿大NRC结冰风洞[16]。而在国内,围绕3 m×2 m结冰风洞,一些学者开展了初步的喷嘴雾化特性[17-18]、云雾测量方法[19-21]以及云雾校测方法[22]研究,但是,这些研究未建立系统的云雾场符合性验证方法,同时未全面评估3 m×2 m结冰风洞云雾场品质,欠缺该风洞的适航应用基础。

因此,鉴于急迫的型号试验需求以及目前国内的研究现状,本文首先发展了结冰风洞云雾场符合性验证方法,然后针对3 m×2 m结冰风洞主试验段构型,开展了云雾场符合性验证试验,获得了试验段内液滴尺寸和液态水含量拟合关系,考察了喷嘴水压、液滴尺寸、试验段气流速度和喷嘴数量对试验段液态水含量的影响,评估了试验段内云雾场品质,形成了主试验段结冰云雾控制包线,为3 m×2 m结冰风洞适航应用奠定了基础。

1 3 m×2 m结冰风洞简介

中国空气动力研究与发展中心3 m×2 m结冰风洞是一座闭口回流式高亚声速风洞(见图 1),主要包括结冰喷雾系统、制冷系统、高度模拟系统和风机动力系统。结冰喷雾系统利用喷雾耙和喷嘴产生结冰云雾。其中:喷雾耙由20排水平耙组成,每排设置50个喷嘴安装位置;喷嘴选用Spray 98818型气液内混式雾化喷嘴,该型喷嘴通过在混合腔内引入高压空气和水流,利用气液间的剧烈相互作用,在喷嘴出口处产生实心锥状喷雾,雾化锥角约为20°[18]。3 m×2 m结冰风洞拥有主试验段、次试验段和高速试验段3种可更换的试验段构型(见表 1),本文选择主试验段构型,开展云雾场符合性验证研究。

图 1 3 m×2 m结冰风洞 Fig. 1 3 m×2 m icing wind tunnel
表 1 试验段尺寸参数 Table 1 Test section size parameters
试验段 高度/m 宽度/m 长度/m 收缩比
主试验段 2 3 6.5 14.67
次试验段 3.2 4.8 9 5.73
高速试验段 1.5 2 4.5 29.33
2 结冰风洞云雾场符合性验证方法 2.1 试验标准及内容

目前国际结冰适航领域普遍采用《Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels》(SAE ARP5905)标准验证结冰风洞流场适航应用符合性[4]。根据SAE ARP5905标准,表 2给出了结冰风洞云雾场品质指标,表中针对云雾体积中值直径(MVD)(定义为小于该直径的液滴体积与大于该直径的液滴体积相等)和液态水含量(LWC, 定义为单位体积云雾内液态水的质量)两个特征参数,分别给出了测试设备最大不确定度、风洞中心线处时间稳定性和空间均匀性3个符合性指标。本文依据SAE ARP5905标准,以液滴尺寸和液态水含量为试验对象,开展了主试验段云雾场符合性验证试验,获得了液滴尺寸和液态水含量拟合关系式,评估了试验段内云雾场空间均匀性和时间稳定性,形成了结冰云雾控制包线。

表 2 结冰风洞云雾场品质指标 Table 2 Quality index of icing cloud flowfield in icing wind tunnel
结冰云雾场参数 测试设备最大不确定度 风洞中心线处时间稳定性 空间均匀性
体积中值直径 ±10% ±10% N/A
液态水含量 ±10% ±20% ±20%
注:当体积中值直径小于30 μm时,用±3 μm代替±10%。
2.2 试验仪器 2.2.1 液滴尺寸测量仪器

3 m×2 m结冰风洞采用Artium Technologies公司研发的双通道机载式相位多普勒干涉仪(Phase Doppler Interferometer Flight Probe Dual Range, PDI-FPDR)测量液滴尺寸[19]。该仪器(见图 2)基于相位多普勒方法能够同时实现液滴直径和液滴速率的测量,其中液滴直径测量范围为0.5~2 500 μm,测量准确度与分辨率为±0.5 μm。应该指出的是,相位多普勒干涉方法可以精确测量小尺寸球形液滴,但对于大尺寸的非球形液滴和冰晶颗粒,则存在显著测量误差[23]。而对于适航条例25部附录C结冰条件,云雾中主要包括直径小于100 μm的小尺寸球形液滴[24],因此基于相位多普勒干涉方法的PDI设备适用性较好。

图 2 双通道机载式相位多普勒干涉仪 Fig. 2 Phase doppler interferometer flight probe dual range
2.2.2 液态水含量测量设备

液态水含量测量设备包括冰刀装置、热线液态水含量传感器和结冰格栅,其中冰刀装置和热线液态水含量传感器用于测量试验段中心处液态水含量,结冰格栅则用于评估试验段内液态水含量空间分布。

冰刀装置(见图 3)为自研设备[21],主要由冰刀工作面、防护罩和控制系统组成。其中,冰刀工作面尺寸为300 mm高、60 mm宽、3 mm厚,防护罩尺寸与NACA0012翼型前缘部分相同。冰刀装置在低液态水含量条件下的测量不确定度约为±5%,但是在高水含量条件下,尤其当水含量超过了冰刀液态水含量测量极限(即Ludlam极限),冰刀装置将无法准确测量云雾液态水含量[25](详见3.2节)。

图 3 冰刀装置 Fig. 3 Icing blade device

热线液态水含量传感器(见图 4)采用美国DMT公司研制的LWC-200型热线传感器。该仪器采用恒温型热线探头(King型),探头控制温度为125 ℃,液态水含量测量范围为0~3 g/m3, 测量不确定度约为±10%[26]

图 4 热线液态水含量传感器 Fig. 4 Hot wire liquid water content sensor

结冰格栅(见图 5)为自研设备[22],由不锈钢栅条等距焊接而成,上下端部通过框架与试验段转盘相连。栅条尺寸为60 mm宽、5 mm厚,相对栅条间距为150 mm。结冰格栅包括192个正方形的格栅单元,覆盖范围为2 400 mm宽、1 800 mm高。

图 5 结冰格栅 Fig. 5 Icing grid
2.3 试验方法及数据处理 2.3.1 液滴尺寸

表 3给出了液滴尺寸试验工况,表中PaPwVTSTt和NR分别为喷嘴气压、喷嘴水压、试验段气流速度、试验段气流总温和喷嘴数量比,其中喷嘴水、气压为相对于喷嘴出口环境压力的表压参数,喷嘴数量比定义为试验使用的喷嘴数量与总喷嘴数量之比(1/1NR表示使用1 000个喷嘴,1/2NR表示使用500个喷嘴,1/4NR表示使用250个喷嘴)。表中各喷嘴水、气压参数试验范围均为0.05~0.9 MPa,压力间距为0.05 MPa。此外,为消除云雾回流对测试结果的影响,试验段气流总温选为-2 ℃。

表 3 液滴尺寸试验工况 Table 3 Test conditions of droplet size
试验参数 参数值
Pa/MPa 0.05~(0.05)~0.9
Pw/MPa 0.05~(0.05)~0.9
VTS/(m·s-1) 80
Tt/℃ -2
NR 1/2

喷雾水气压测量点矩阵如图 6所示,图中色点为测试点,虚线表示水、气压等值线,在该虚线上部PwPa,下部则Pw>Pa。根据结冰风洞供水供气系统能力,试验中采用的所有喷嘴具有相同的水压和气压,并且通常采用的水、气压试验范围为0.05~0.9 MPa,因此本期试验采用该水、气压试验范围,同时将最小压力变化间隔选取为0.05 MPa。此外,考虑到喷嘴在PwPa条件下,普遍无法正常工作[17],因此试验主要针对Pw>Pa区域内的测量点开展。

图 6 喷嘴水、气压测量点矩阵 Fig. 6 Measured points matrix of nozzle water and air pressure

试验前,将PDI-FPDR安装于试验段转盘中心处,此时仪器光学采样区则位于试验段中心线处。试验时,待云雾场完全建立并稳定后(等待时间不少于10 s)进行参数采集,各测点采样时间为10 s。试验后利用测量的MVD以及对应的喷嘴水气压,建立MVD拟合关系式,表示为

$ \mathrm{MVD}=f\left(P_{\mathrm{w}}, P_{\mathrm{a}}\right) $ (1)
 

液滴尺寸时间分布以试验段中心线处MVD时间平均值(MVDta)为基准,采用MVD时间偏差(ΔMVDT)表征,表示为

$ \Delta {\rm{MV}}{{\rm{D}}_{\rm{T}}} = \frac{{{\rm{MVD}} - {\rm{MV}}{{\rm{D}}_{{\rm{ta}}}}}}{{{\rm{MV}}{{\rm{D}}_{{\rm{ta}}}}}} \times 100\% $ (2)
 

式中:下标ta表示时间平均。进而采用MVD时间偏差标准差(σ(ΔMVDT))和最大绝对值(|ΔMVDT|max)评估试验段中心线处液滴尺寸时间稳定性。

2.3.2 液态水含量

试验段内云雾液态水含量受喷嘴水压、液滴尺寸(MVD)、试验段气流速度和喷嘴数量的共同影响。表 4给出了结冰风洞试验段中心处液态水含量试验工况。其中,喷嘴气压参数由MVD拟合公式(式(1))计算得到,最大试验段气流速度根据试验设备堵塞情况确定,同时为确保冰刀装置前缘为霜冰(冻结系数n0=1),试验段气流总温设置为-20 ℃。

表 4 试验段中心处液态水含量试验工况 Table 4 Test conditions of liquid water content at center of test section
参数 数值
Pw/MPa 0.05~0.9
MVD/μm 15, 20, 30, 40, 50
VTS/(m·s-1) 40, 80, 120, 140
NR 1/1, 1/2, 1/4
Tt /℃ -20

试验段中心处液态水含量主要采用冰刀装置测量,而热线传感器仅用于评估液态水含量时间稳定性。试验前,将冰刀装置(或热线传感器)安装于试验段转盘中心处,冰刀工作面前缘中心则位于试验段中心处。试验时,待云雾场稳定后,冰刀装置防护罩打开,结冰完成后冰刀防护罩关闭。试验后,使用预冷的游标卡尺,测量冰刀工作面前缘积冰厚度,测量位置选取冰刀工作面前缘中心点、中心点上方75 mm和中心点下方75 mm 3个位置,积冰厚度则取3个位置测量参数的平均值。应该指出的是,试验前应谨慎选取结冰时间,确保冰刀前缘平均积冰厚度近似为4 mm,同时积冰宽度则不超过5 mm[25]

冰刀液态水含量计算公式为

$ \mathrm{LWC}=\frac{\rho_{\mathrm{i}} \delta}{E_{\mathrm{b}} V_{\mathrm{TS}} t} $ (3)
 

式中: ρi为积冰密度(通常取为880 kg/m3)[4, 25]; δ为冰刀前缘积冰厚度; Eb为冰刀水收集率; t为冰刀积冰时间。由于冰刀水收集系数Eb一般采用数值计算的方法获得,因此本文采用文献[27-28]发展的基于欧拉法的气液两相耦合流动计算方法,给出了典型试验条件下的冰刀水收集率,如图 7所示。图中黑色虚线表示参考数据(数据由NASA给出[4]),空心点表示本文计算结果,从图中可以看出:在40~120 m/s范围内,二者误差小于1%,验证了本文采用的计算方法和结果的可靠性;考虑到NASA参考数据仅给出了120 m/s以内的计算结果,无法完全满足本文试验需求,因此本文给出了140 m/s工况下的计算结果,有效扩展了NASA参考数据,满足试验需求。

图 7 冰刀水收集率 Fig. 7 Collection efficiency of icing blade

利用测量的LWC参数以及对应的喷嘴水压、MVD、试验段气流速度和喷嘴数量比参数,建立LWC拟合关系式,表示为

$ \mathrm{LWC}=f\left(P_{\mathrm{w}}, \mathrm{MVD}, V_{\mathrm{TS}}, \mathrm{NR}\right) $ (4)
 

液态水含量时间分布以试验段中心线处LWC时间平均值(LWCta)为基准,采用液态水含量时间偏差(ΔLWCT)表征,表示为

$ \Delta \mathrm{LWC}_{\mathrm{T}}=\frac{\mathrm{LWC}-\mathrm{L} \mathrm{WC}_{\mathrm{ta}}}{\mathrm{LWC}_{\mathrm{ta}}} \times 100 \% $ (5)
 

最后,采用液态水含量时间偏差标准差(σ(ΔLWCT))和最大绝对值(|ΔLWCT|max)评估试验段中心线处液态水含量时间稳定性。

试验段内结冰云雾液态水含量空间分布通过结冰格栅前缘积冰厚度的空间分布表征。表 5给出了试验段内液态水含量空间分布试验工况。表中试验段总温仍设置为-20 ℃,以确保结冰格栅前缘积冰为霜冰形态,同时调整液态水含量和结冰时间,控制格栅前缘积冰厚度近似为6.4 mm[4]

表 5 试验段内液态水含量空间分布试验工况 Table 5 Test conditions for spatial distribution of liquid water content in test section
参数 数值
MVD /μm 20
VTS/(m·s-1) 40, 80, 120, 140
NR 1/1, 1/2, 1/4
Tt /℃ -20

图 8给出了结冰格栅测量点位置矩阵,图中X轴从试验段左壁(沿流向左侧为左壁)指向右壁,Y轴从试验段下壁面指向上壁面,圆点为测量点,星点为结冰云雾均匀度参考点,位于结冰格栅中心处(即试验段中心线处)。试验段内共设置204个测量点,所有测量点均位于竖直栅条前缘,测点间横向(X方向)和纵向(Y方向)间距均为150 mm,占主试验段横截面积的66%。此外,参考点位于横纵栅条交点处,由于该位置无法测量积冰厚度,因此选取与其相邻的上下测点位置处的积冰厚度平均值代替。

图 8 结冰格栅测量点位置矩阵 Fig. 8 Position matrix of measured points in icing grid

试验前,将结冰格栅安装于试验段内,试验结束后,采用预冷的游标卡尺依次测量试验段内结冰格栅各测点处的前缘积冰厚度。液态水含量空间分布以试验段中心线处积冰厚度δC(见图 8)为基准,采用液态水含量空间偏差(ΔLWCS)表征,表示为

$ \Delta {\rm{LW}}{{\rm{C}}_{\rm{S}}} = \frac{{\delta - {\delta _{\rm{C}}}}}{{{\delta _{\rm{C}}}}} \times 100\% $ (6)
 

采用液态水含量空间偏差标准差(σ(ΔLWCS))和最大绝对值(|ΔLWCS|max)评估试验段内液态水含量空间均匀性。

应该指出的是,为了在试验段内形成均匀分布的结冰云雾,需要调整喷嘴数量和开闭位置,优化云雾空间均匀性,通过反复多次迭代优化,最终形成最优的喷嘴布局分布。图 9给出了结冰风洞目前采用的3种喷嘴布局分布,分别对应1/1NR、1/2NR和1/4NR条件。

图 9 喷嘴布局分布图 Fig. 9 Nozzle pattern maps
3 试验结果 3.1 液滴尺寸

图 10给出了主试验段中心线处液滴尺寸分布,图 10(a)图 10(b)分别对应归一化的液滴累计体积分布和液滴体积分布,其中累积体积分数定义为云雾中直径小于选定液滴直径的液滴体积相对于总液滴体积的占比(MVD为50%累计体积分数对应的液滴直径)。从图中可以看出:主试验段内液滴尺寸分布具有显著的单峰特征,呈钟形分布;在MVD≤ 50 μm范围内,最大液滴直径约为100 μm。

图 10 主试验段中心线处液滴尺寸分布 Fig. 10 Distribution of droplet sizes at centerline of main test section

基于测量的MVD、PwPa参数,MVD拟合关系式表示为

$ \mathrm{MVD}= \\ \frac{{a + b\ln \left( {{P_{\rm{w}}}} \right) + c{{\left[ {\ln \left( {{P_{\rm{w}}}} \right)} \right]}^2} + d{{\left[ {\ln \left( {{P_{\rm{w}}}} \right)} \right]}^3} + e{P_{\rm{a}}}}}{{1 + f\ln \left( {{P_{\rm{w}}}} \right) + g{{\left[ {\ln \left( {{P_{\rm{w}}}} \right)} \right]}^2} + h{P_{\rm{a}}} + iP_{\rm{a}}^2}} $ (7)
 

式中:a=102.185;b=91.241;c=31.120;d=3.087;e=-5.870;f=1.064;g=0.293;h=5.686;i=2.894;Pw的适用范围为0.05~0.9 MPa,相应的Pa的适用范围则由图 10(a)给出,最终MVD的变化范围约为10~75 μm。

根据MVD拟合关系式,图 11给出了主试验段中心线处MVD分析曲线和曲线不确定度,图 11(a)中还给出了典型MVD对应的喷嘴水气压拟合关系曲线,图 11(c)中横纵轴参数分别为分析MVD参数(MVDa)和测量MVD参数(MVDm)。从图 11(a)中可以看出:典型MVD对应的喷嘴水气压近似呈线性关系,其中拟合曲线主要分布在Pw>Pa区域内;但是随着MVD的减小,喷嘴水气压拟合曲线在PwPa区域内的分布范围逐渐增大,尤其在15 μm工况下,当Pw < 0.3 MPa时,喷嘴水压均小于喷嘴气压。从图 11(b)图 11 (c)可以看出:喷嘴水气压均会影响MVD,增大喷嘴水压会增大MVD,但增大喷嘴气压则会减小MVD,这与文献[17-18]的结论一致;目前结冰风洞云雾MVD模拟范围近似在10~75 μm;液滴尺寸拟合关系式(式(7))的不确定度均在±10%范围内(当MVD < 30 μm时,指标为±3 μm),满足指标要求。

图 11 主试验段中心线处MVD分析曲线和曲线不确定度 Fig. 11 Analytical curves of MVD and uncertainty of curves at centerline of main test section

图 12给出了主试验段中心线处典型液滴尺寸时间偏差变化曲线,其中包括20 μm MVD条件下0.15 MPa和0.40 MPa两个喷嘴水压对应的试验结果。从图中可以看出,典型工况下,液滴尺寸时间偏差均在±5%范围内,时间偏差标准差和最大绝对值则均小于2.5%和4.5%。由此可见,在主要试验工况下,结冰风洞主试验段液滴尺寸时间稳定性均较好,满足指标要求,此处受篇幅所限,并未全部罗列。

图 12 主试验段中心线处典型液滴尺寸时间偏差变化曲线 Fig. 12 Typical variation profiles of droplet sizes with time deviation at centerline of main test section
3.2 液态水含量

基于测量的LWC、Pw、MVD、VTS和NR参数,LWC拟合关系式表示为

$ \begin{array}{l} {\rm{LWC}} = \left[ {a + b\ln {P_{\rm{w}}} + c\ln {\rm{MVD}} + d{{\left( {\ln {P_{\rm{w}}}} \right)}^2} + } \right.\\ \;\;\;\;\;e{(\ln {\rm{MVD}})^2} + f\ln {P_{\rm{w}}}\ln {\rm{MVD}} + g{\left( {\ln {P_{\rm{w}}}} \right)^3} + \\ \;\;\;\;\;h{(\ln {\rm{MVD}})^3} + i\ln {P_{\rm{w}}}{(\ln {\rm{MVD}})^2} + \\ \left. {\;\;\;\;\;j{{\left( {\ln {P_{\rm{w}}}} \right)}^2}\ln {\rm{MVD}}} \right] \times \left( {\frac{{{\rm{NR}}}}{{{V_{{\rm{TS}}}}}}} \right) \end{array} $ (8)
 

式中:a=1 166.352;b=-569.945;c=-1 555.967;d=-40.334;e=644.380;f=349.314;g=-0.448;h=-79.117;i=-46.154;j=13.900;Pw、MVD和VTS的适用范围分别为0.05~0.9 MPa、15~50 μm和40~140 m/s。

图 13给出了主试验段中心处液态水含量分析曲线不确定度,图中横纵轴参数分别为分析LWC参数(LWCa)和测量LWC参数(LWCm)。从图中可以看出,LWC拟合关系式(式(8))不确定度均在±20%范围内,满足指标要求。

图 13 主试验段中心处液态水含量分析曲线不确定度 Fig. 13 Uncertainty of analytical curves for liquid water content at center of main test section

为考察喷嘴水压、液滴尺寸(MVD)、试验段气流速度和喷嘴数量对试验段中心处液态水含量的影响,图 14给出了典型工况下液态水含量试验结果与分析曲线,图中红色箭头虚线表示Ludlam极限。

图 14 典型工况下主试验段中心处液态水含量试验结果与分析曲线 Fig. 14 Test results and analytical curves of liquid water content at center of main test section under typical conditions

图 14(a)中可以看出,随着Pw和MVD的增大,液态水含量分析结果不断增大,并且在大部分工况下,分析结果与试验结果匹配较好,但是在15 μm和40 μm工况高喷嘴水压条件下,试验测量的液态水含量显著低于分析结果(如图阴影区所示)。这可以分别解释为:根据图 11(a),在相同喷嘴水压下,增大MVD会减小喷嘴气压,而增大喷嘴水压,减小喷嘴气压,均会增大喷嘴水流量[17],最终喷嘴水流量的增大自然会导致试验段内液态水含量的增大;在15 μm工况下,当Pw≥ 0.6 MPa时,对应的喷嘴气压则会超过0.5 MPa(见图 11(a)),此时喷嘴出口高压干空气的等熵膨胀效应会显著降低喷嘴出口气流静温[29],导致喷雾液滴发生冻结,形成了固体冰晶,进而减小了试验段内液态水含量,与此同时冰刀前缘积冰出现腐蚀型特征,则进一步验证固体冰晶的存在[30];在40 μm工况下,当Pw≥ 0.5 MPa时,云雾液态水含量显著超过了冰刀液态水含量测量极限[31](即Ludlam极限),此时冰刀前缘处的云雾液滴无法完全冻结,发生流动损失,积冰形貌则偏离霜冰、而趋近于明冰,最终导致冰刀测量结果显著低于分析结果。此处需要指出,冰刀Ludlam极限定义为当冰刀前缘壁面温度为0 ℃且冻结系数为1时对应的液态水含量,其为冰刀尺寸、气流速度和气流总温的函数[25, 31]

图 14(b)中可以看出,增大气流速度会减小试验段中心处液态水含量,其中LWC与VTS近似成反比,此时试验结果与分析结果匹配较好。应该指出的是,在40 m/s工况下,当Pw超过0.4 MPa后,云雾液态水含量逐渐超过了Ludlam极限(Ludlam极限随气流速度的增大而减小),此时冰刀前缘积冰形貌从霜冰演化成明冰,并发生了显著冰脱落,进而导致在Pw≥ 0.5 MPa条件下缺少有效试验数据。此外,在140 m/s工况下,试验段静温将会下降到约-30 ℃(气流总温为-20 ℃),此时云雾液滴极易发生冻结,积冰形貌则会出现腐蚀型特征,进而导致冰刀测量结果低于真实云雾液态水含量,因此试验中通过提高喷雾耙内喷嘴供水供气温度,同时适当提高气流总温,能减弱液滴冻结对试验结果的影响。

图 14(c)中可以看出,增大喷嘴数量比会增大试验段内液态水含量,其中LWC与NR近似成正比,并且大部分试验结果与分析结果匹配较好,但是在1/1NR工况下,当Pw≥ 0.5 MPa时,冰刀测量结果显著低于分析结果(如图阴影区所示)。这主要是由于该工况下,当Pw≥ 0.5 MPa时,云雾液态水含量显著超过了冰刀Ludlam极限,此时冰刀前缘积冰形貌演化成明冰,云雾液滴无法完全冻结,进而导致冰刀测量结果显著低于分析结果。

由此可见,当云雾液态水含量超过冰刀Ludlam极限后,冰刀法无法准确测量云雾液态水含量,因此目前结冰风洞采用分析曲线外插法,给出液态水含量超过Ludlam极限的云雾控制参数。进一步根据文献[25],美国NASA IRT结冰风洞发展了基于多热线总水含量探针的云雾液态水含量测量方法,该方法对高水含量云雾条件以及过冷大水滴结冰条件下的液态水含量测量具有极大潜力,因此针对该设备的测量方法研究将会是3 m×2 m结冰风洞云雾液态水含量测量研究的重点。

图 15给出了主试验段中心处典型液态水含量时间偏差变化曲线,其中包括20 μm MVD、80 m/s VTS、1/1NR条件下0.15 MPa和0.40 MPa两个喷嘴水压对应的试验结果。从图中可以看出,典型工况下,液态水含量时间偏差基本在±5%范围内,时间偏差标准差和最大绝对值则均小于2.2%和6.6%。由此可见,目前结冰风洞主要试验工况下,液态水含量时间稳定性均较好,满足指标要求,受篇幅所限,并未全部罗列。

图 15 主试验段中心处典型液态水含量时间偏差变化曲线 Fig. 15 Typical variation profiles of LWC with time deviation at center of main test section

为考察喷嘴水压对云雾液态水含量空间均匀性的影响,图 16给出了典型喷嘴水压条件下试验段内云雾液态水含量空间分布云图及均匀性分析结果,其中VTS、NR和MVD分别为80 m/s、1/2和20 μm,红色虚线框表示常用模型区,其范围为600 mm≤X≤600 mm,-500 mm≤Y≤500 mm,图 16(d)给出了模型区内液态水含量空间偏差标准差和最大绝对值。从图中可以看出:随着喷嘴水压的增大,模型区内液态水含量空间偏差标准差逐渐减小,云雾均匀性不断提高,同时非均匀峰值点则不断减少,对应的空间偏差最大绝对值则不断减小,尤其在0.39 MPa工况下,标准差和最大绝对值分别小于8%和15%。由此可见,增大喷嘴水压会提高试验段内云雾液态水含量空间均匀性。这主要是由于针对目前结冰风洞采用的气液内混式喷嘴,增大喷嘴水压会增强喷嘴的雾化效果,提高喷雾液滴在喷嘴出口雾化锥内的均匀性,进而提高了试验段内液态水含量空间均匀性[17]

图 16 典型喷嘴水压条件下试验段内云雾液态水含量空间分布云图及均匀性分析结果 Fig. 16 Liquid water content contour spatial distribution in test section and analytical results of uniformity under typical nozzle pressure conditions

为考察试验段气流速度对云雾液态水含量空间均匀性的影响,图 17给出了典型试验段气流速度条件下试验段内云雾液态水含量空间分布云图及均匀性分析结果,其中Pw、NR和MVD分别为0.39 MPa、1/2和20 μm,红色虚线框表示模型区,图 17(d)给出了模型区内液态水含量空间偏差标准差和最大绝对值。从图中可以看出,随着试验段气流速度的增大,模型区液态水含量空间偏差标准差逐渐增大,同时非均匀峰值点不断增多,对应的空间偏差最大绝对值则不断增大,尤其在140 m/s工况下,模型区下部将会出现显著的非均匀峰值点。由此可见,增大试验段气流速度会减弱试验段内云雾均匀性。这主要由于针对3 m×2 m结冰风洞这种大收缩比的高亚声速风洞,增大试验段气流速度会降低试验段内气流湍流度[32],进而减弱了气流对喷雾的掺混能力,同时会减少了喷雾在收缩段内的混合时间,最终降低了试验段内云雾液态水含量空间均匀性。

图 17 典型试验段气流速度条件下试验段内云雾液态水含量空间分布云图及均匀性分析结果 Fig. 17 Liquid water content contour spatial distribution in test section and analytical results of uniformity under typical test section velocity conditions

为考察喷嘴数量对云雾液态水含量空间均匀性的影响,图 18给出了典型喷嘴数量比条件下试验段内云雾液态水含量空间分布云图及均匀性分析结果,其中PwVTS和MVD分别为0.15 MPa、80 m/s和20 μm,红色虚线框表示模型区,图 18(d)给出了模型区内液态水含量空间偏差标准差和最大绝对值。从图中可以看出,随着喷嘴数量的增多,模型区液态水含量空间偏差标准差逐渐减小,同时非均匀峰值点则不断减少,对应的空间偏差最大绝对值则不断减小。由此可见,增加喷嘴数量会提高试验段内云雾空间均匀性。

图 18 典型喷嘴数量比条件下试验段内云雾液态水含量空间分布云图及均匀性分析结果 Fig. 18 Liquid water content contour spatial distribution in test section and analytical results of uniformity under typical nozzle number ratio conditions
3.3 结冰云雾控制包线

根据3 m×2 m结冰风洞主试验段云雾场品质评估结果,图 19给出了3 m×2 m结冰风洞主试验段结冰云雾控制包线,图中蓝色空心点为80 m/s工况下的典型试验点,红色包线和绿色包线分别为该速度条件下1/2NR和1/1NR对应的控制包线,同时深灰色右斜线阴影区和浅灰色左斜线阴影区分别表示适航条例25部附录C中连续最大结冰气象条件和间断最大结冰气象条件[24]。从图中可以看出,3 m×2 m结冰风洞主试验段结冰云雾控制包线目前可以覆盖大部分附录C结冰气象条件,但是在低液态水含量条件下,受云雾空间均匀性指标的限制,覆盖范围仍存在局限。针对该包线,应该指出的是:在1/1NR包线(绿色)中,由于冰刀存在测量极限(Ludlam极限),因此当云雾液态水含量超过2.0 g/m3后,喷嘴控制参数利用LWC拟合关系(见式(8))外插得到;对于1/4 NR包线,尽管减少喷嘴数量可以减小云雾液态水含量,但是同时会降低液态水含量空间均匀性,综合而言,该包线下边界与1/2NR的一致,即1/2NR包线包含1/4NR包线,因此图中并未给出。此外,试验段气流速度会影响云雾液态水含量,进而影响包线的纵轴覆盖范围,其中:随着试验段气流速度的减小,云雾液态水含量增加,包线范围增大,包线下边界上移;而增大试验段气流速度则会减小云雾液态水含量,并且减小包线范围;进一步,考虑到增大试验段气流速度会降低云雾空间均匀性,因此综合而言,结冰包线的下边界并不会随着试验段气流速度的增大而下移,仍然与80 m/s工况的下边界一致。

图 19 3 m×2 m结冰风洞主试验段结冰云雾控制包线 Fig. 19 Icing cloud operating envelops of 3 m×2 m icing wind tunnel for main test section

根据文献[5-9],美国NASA IRT结冰风洞同样面临低液态水含量结冰条件的模拟问题,为了解决该问题,该风洞研制了低流量喷嘴(Mod1型喷嘴),同时增加了喷雾耙扰流圆柱,进而拓展了低液态水含量结冰条件的模拟能力,降低了模拟包线下边界,但是离完全覆盖附录C结冰包线仍存在一定距离。这些研究为3 m×2 m结冰风洞下一步性能升级改造提供了思路。

4 结论

本文发展了结冰风洞云雾场符合性验证方法,开展了3 m×2 m结冰风洞主试验段云雾场符合性验证试验,主要得到以下结论:

1) 主试验段内液滴尺寸分布具有显著的单峰分布特征,MVD模拟范围近似在10~75 μm。液滴尺寸时间稳定性和拟合关系不确定度均在±10%范围内,满足SAE ARP5905指标要求。

2) 试验段中心处液态水含量随着喷嘴水压和MVD的增大而增大,同时近似与试验段气流速度成反比,而与喷嘴数量成正比。液态水含量时间稳定性和拟合关系不确定度均在±20%范围内,满足SAE ARP5905指标要求。

3) 增大喷嘴水压和喷嘴数量会提高试验段内云雾液态水含量空间均匀性,但是增大气流速度却会减弱试验段内云雾空间均匀性。

4) 3 m×2 m结冰风洞主试验段结冰云雾控制包线可以覆盖大部分适航条例25部附录C结冰气象条件,但是对低液态水含量结冰条件的模拟仍存在局限。

3 m×2 m结冰风洞于2019年圆满完成了C919飞机机翼结冰适航取证试验和C919飞机机翼防冰系统适航验证试验,试验时欧洲航空安全局和中国民航上海适航审定中心审查代表现场目击了试验过程,对试验结果给出了高度肯定,同时审查代表全面考察了3 m×2 m结冰风洞云雾场校测方法和评估结果,认可了目前结冰风洞云雾模拟能力。

下一步,3 m×2 m结冰风洞将围绕高液态水含量测量问题和低液态水含量云雾模拟问题,开展风洞能力升级改造。此外,针对适航条例25部附录O过冷大水滴结冰气象条件,目前采用的试验标准、试验设备和试验方法均存在缺陷,因此发展适用于过冷大水滴结冰条件的云雾符合性验证方法将会是结冰风洞未来研究的重点。

致谢

感谢程尧工程师在结冰风洞云雾场参数测试中开展的研究工作,该工作支撑了3 m×2 m结冰风洞适航应用符合性认证。

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中国航空学会和北京航空航天大学主办。
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文章信息

郭向东, 张平涛, 赵照, 赖庆仁, 郭龙
GUO Xiangdong, ZHANG Pingtao, ZHAO Zhao, LAI Qingren, GUO Long
大型结冰风洞云雾场适航应用符合性验证
Airworthiness application compliance verification of cloud flowfield in large icing wind tunnel
航空学报, 2020, 41(10): 123879.
Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, 41(10): 123879.
http://dx.doi.org/10.7527/S1000-6893.2020.23879

文章历史

收稿日期: 2020-02-18
退修日期: 2020-03-14
录用日期: 2020-03-17
网络出版时间: 2020-03-23 09:10

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