过冷大水滴动力学行为对翼型结冰的影响分析

过冷大水滴(SLD)是极端危险的飞行环境之一。因大粒径水滴独特的动力学行为变形破碎、飞溅反弹,传统结冰计算方法难以准确地反映SLD结冰情况。采用Navier-Stokes方法求解流场、Euler方法计算水滴撞击、Shallow Water模型模拟结冰,并与NASA实验结果进行了对比验证方法可信。结果表明:SLD动力学行为对结冰和冰形影响较大。其中,变形破碎改变了水滴运动轨迹和撞击范围,降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小2.83%、2.13%;飞溅降低了驻点附近水滴收集率,导致前缘积冰量减少8.09%;反弹显著降低了水滴撞击极限,导致上下结冰极限减小30.69%、20.01%;撞击后飞溅反弹二次水滴再入流场使得上下结冰极限增加6.14%、3.71%。同时,与干净翼型相比带冰翼型空气动力学性能严重退化,在相同迎角下,升力更小、阻力更大、气动效率更低。

过冷大水滴结冰多参数敏感性分析

过冷大水滴结冰现象对飞机的安全运行造成了严重的威胁。本文采用Sobol序列采样法、径向基函数法、Sobol’s敏感性指数分析法对结冰表面粗糙度、冰密度、有无蒸发、水滴尺寸分布、步长数进行分析,通过单一参数的一阶敏感性指数表征其对冰形参数的影响程度,通过总敏感性指数比较上述参数之间的相互作用对结冰冰形或结冰量的影响。研究发现,翼型前缘冰形特征参数对上述各参数的敏感性存在一致性规律,均受结冰表面粗糙度影响最大,总敏感指数大于0.4761,而受步长数影响最小,约为0.2,其余参数的影响程度从大到小依次为蒸发、水滴尺寸分布和冰密度.

面向过冷大水滴适航验证的结冰探测技术研究

过冷大水滴(Supercooled large droplet,SLD)结冰超出了常规防除冰系统的防护范围,是一种更为严重的结冰情形,极大地影响着飞行安全。在美国联邦航空管理局14 CFR 25.140条款中明确提到为保证飞机在SLD结冰条件下的安全运行,首先且必须要对SLD结冰气象环境进行探测。由于水滴破碎会改变水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,而水滴飞溅对结冰极限位置影响不大,因此本文通过研究大、小粒径水滴在飞机上收集范围不同的特点,提出一种可以满足SLD结冰适航符合性的结冰探测技术。该结冰探测技术采用常规结冰探测器,根据水滴收集范围将其布置于不同敏感结冰部位,可以实现全剖面飞行的结冰环境探测。

冰风洞过冷大水滴云雾水滴质量分布模拟

准确模拟过冷大水滴(Supercooled large droplet,SLD)云雾水滴质量分布是最新的结冰适航条款要求,也是当前冰风洞试验技术难点。以14CFR 25部附录O规定冻毛毛雨水滴累计质量分布曲线为目标,在冰风洞中开展过冷大水滴结冰条件模拟研究。基于水滴质量分布要求进行大水滴云雾与小水滴云雾匹配性分析,并在FL-61风洞喷雾系统现有条件下开展大水滴喷嘴喷雾性能测量,将生成的具有不同液态水含量(Liquid water content,LWC)和体积中值直径(Medium volume diameter,MVD)特征的云雾参数组合,在试验段中心位置生成了水滴质量分布曲线接近附录O规定的冻毛毛雨条件。研究结果表明,采用分别模拟相应水滴质量分布的大水滴和小水滴云雾,再进行组合喷雾能够较好地预测和指导在冰风洞中构造大水滴云雾,同时验证了在冰风洞内能够采用两种喷嘴模拟水滴质量为双峰分布云雾条件的可行性。

水滴在气流中变形破碎过程的数值模拟研究

针对水滴在结冰风洞实验中加速过程内易发生破碎而导致试验段内水滴粒径分布难以符合结冰气象条件的问题,利用流体体积(VOF)方法,模拟了直径为100、200、400、600、800、1000μm以及1200μm的水滴在不同气流速度作用下(20、50、80 m/s)的变形破碎情况.结果表明:在20 m/s气流作用下,直径为600μm的水滴不发生破碎;当风速为50 m/s时,直径为100μm的水滴不发生破碎;随着韦伯数增加,最大不稳定波波长也随之增大,水滴的破碎模式从袋状破碎变为包-蕊状破碎,随后转变为蕊-层状破碎,进一步转变为剪切破碎.水滴的破碎形式包括袋状破碎、包-蕊状破碎、蕊-层状破碎及剪切破碎,会对面积最大的液滴与初始液滴面积之比有较大影响.在初始水滴直径相同的条件下,入口速度越大,破碎后的面积比越大.

过冷大水滴结冰探测技术研究进展

过冷大水滴结冰是飞机结冰防护领域出现的新问题和新挑战,大水滴结冰探测是保障飞机飞行安全的关键技术,制约飞机结冰防护系统的整体发展。论文搜集和整理了相关科技文献,从结冰机理和探测原理角度分析了结冰探测技术所面临的新挑战和机遇,通过对最新适航规范的分析,总结了大水滴结冰探测技术的新要求。按技术成熟度为主线对过冷大水滴结冰探测技术进行了详细介绍和全面总结,并首次提出探头型结冰探测器的水滴轨迹检测和溢流特性检测分类方法。

结冰风洞过冷大水滴结冰条件模拟能力综述

结冰风洞是进行飞行器等结冰现象及防/除冰装置研究的重要地面模拟设备。随着过冷大水滴结冰现象对飞行性能及防除冰装置设计影响的重要性日益显现,以及过冷大水滴结冰条件适航标准的提出,亟需在结冰风洞中发展SLD结冰条件的模拟能力。本文分析了CFR14-25部附录O中所确定的SLD结冰条件及其对结冰风洞的相关模拟能力所提出的要求;介绍了目前国外几座具有典型代表意义的结冰风洞及气动中心的结冰风洞在发展SLD结冰条件模拟能力方面所取得的成果及所面临的问题。本文认为过冷大水滴的产生及其与云雾颗粒在风洞内的湍流混合、超大尺度的水滴在气流中的过冷以及宽滴谱范围的颗粒度分布测量等问题,是在发展SLD结冰条件模拟能力方面所面临的关键技术问题,提出了中国空气动力研究与发展中心在发展结冰风洞SLD模拟能力方面所采取的技术路线及关键技术解决方法。

过冷大水滴变形及阻力特性的温度影响实验研究

为探索温度对过冷大水滴(SLD)变形及阻力特性的影响规律,在常温和低温环境下开展了过冷大水滴动力学特性的实验研究。研究表明:过冷大水滴在快速加速气流中运动时,水滴变形特征和阻力特性随We数的变化规律主要分为3个阶段:波动阶段、阶跃阶段和平滑阶段,并会受到低温环境的影响;同一We数的水滴变形率、阻力系数会呈现出随着温度的降低而降低的趋势;温度对处于波动阶段的过冷水滴影响最大,随后在阶跃和平滑阶段,温度对水滴动力学行为的影响逐渐减小。

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解N-S方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的Messinger热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴Langmuir D分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。

水滴撞击飞溅效应对过冷大水滴结冰影响研究

过冷大水滴(SLD)结冰的结冰量较大、位置靠后且容易形成复杂冰型,对飞机气动性能和飞行安全具有更大危害性。在结冰过程数值模拟的基础上,针对SLD条件下水滴撞击的飞溅效应及其对成冰过程影响进行研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解N-S方程获得空气流场,运用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的Messinger热力学模型进行翼面结冰模拟。对SLD结冰,采用飞溅碰撞模型,分析了水滴飞溅现象及其对SLD结冰过程的影响,完成了典型翼型结冰算例的数值模拟和分析讨论,与参考文献和试验结果的对比,说明了文中计算模型及计算方法在模拟SLD结冰的撞击飞溅效应时是可行和正确的,获得的影响规律和结论对于深入研究SLD结冰具有重要的参考价值。

浅析过冷大水滴规章对防冰系统设计的影响

阐述了FAA颁布过冷大水滴规章的背景,浅析了即将新增的FAR25.1420过冷大水滴结冰条件条款,以及其对机翼防冰系统和结冰探测系统设计的影响;相比14CFR附录C结冰条件,过冷大水滴结冰条件的水滴撞击区较大,更容易在结冰防护区后部形成严重的后溜冰,应增加上表面弦向防护区的范围;基于已有的结冰探测系统,在机翼上表面容易形成后溜冰的部位,装备能够齐平安装的结冰探测器作为补充,是一种有效探测过冷大水滴结冰条件的方式;浅析了FAR25附录O过冷大水滴结冰条件的分类;给出了修订后的25.1093(b)的防冰译文。

过冷大水滴条件下机翼结冰数值仿真

机翼结冰问题研究对于飞机防冰系统的设计和优化至关重要。在机翼结冰数值仿真中,由于过冷大水滴冻结过程中存在水滴破碎、飞溅、反弹等现象,传统方法计算水收集系数存在误差,难以准确预测结冰冰形。为解决上述问题,建立了机翼结冰过程中过冷大水滴的运动模型,通过引入判断参数仿真水滴破碎,撞击物面后飞溅、铺展等物理过程,对机翼结冰进行了数值仿真。仿真结果表明,利用上述改进方法计算大水滴机翼结冰准确性较好,并且随着水滴直径的增大,撞击表面的水收集系数越大,结冰冰型越厚。但是水滴直径达到一定尺寸后,水滴收集系数变化不大,冰型几乎不变。

结冰风洞过冷大水滴粒径测量初步研究

过冷大水滴粒径测量方法是结冰风洞过冷大水滴云雾模拟能力的关键组成部分。为评估双通道机载式相位多普勒干涉仪(PDI-FPDR)的过冷大水滴粒径测量能力,利用标准液滴流发生器产生特定尺寸的大粒径液滴流,评估PDI-FPDR的液滴粒径测量不确定度;针对真实大粒径喷雾,同时采用Malvern粒度分析仪和PDI-FPDR测量喷雾粒径特征参数,对比评估PDI-FPDR的大粒径喷雾测量能力。结果表明:PDI-FPDR小粒径通道无法准确测量大尺寸液滴,测量结果显著小于真实液滴粒径(测量粒径189.0μm的液滴,相对误差为-72.8%);大粒径通道可以较为准确地测量大尺寸液滴,但精度较差(测量粒径240.5μm的液滴,相对误差为-5.1%,最大偏差50.2μm);对于典型大粒径喷雾,PDI-FPDR小粒径通道测量中值体积直径(MVD)大于75μm的喷雾适用性较差,大粒径通道的MVD测量值与Malvern粒度分析仪相比偏大。

一种图像式过冷大水滴结冰探测系统

在飞机结冰问题中,过冷水滴粒径的不同会对飞机结冰产生不同的影响,当飞机遇到水滴粒径超过50μm的过冷大水滴时,容易形成粗糙的冰脊,对飞机飞行安全造成严重威胁。文中介绍了一种图像式过冷大水滴结冰探测系统,通过设计特殊的探头外形结构,使不同粒径的水滴在探头的不同位置结冰,采集探头特定位置的图像并使用图像处理技术对其进行分析,得到该位置的结冰厚度及其分布信息,判断过冷大水滴结冰的存在性。通过结冰风洞试验,验证了该系统具有区分常规结冰与SLD结冰的功能,并通过计算结冰边缘到探头边缘的距离,得到探头的结冰厚度及其分布信息,从而实现SLD结冰探测。

过冷大水滴撞击结冰特性实验研究

对过冷大水滴(Supercooled large droplets,SLD)在不同粒径、过冷度、撞击速度及壁面温度下的撞击结冰特性进行了实验研究。设计了一套SLD发生装置,通过高速摄像机记录SLD撞击结冰过程,分析了各因素对SLD撞击结冰特性及冻结时间的影响。实验结果表明:SLD撞击壁面后呈现出摊开-回缩后结冰、摊开-回缩时结冰和摊开的过程中结冰3种典型结冰特性,水滴的过冷度及壁面温度对SLD的结冰特性具有显著的影响;SLD撞击后的冻结时间随着水滴直径的减小、过冷度的降低、撞击速度的增加和壁面温度的降低而减小。

过冷大水滴粒径分布的欧拉-拉格朗日混合抽样算法及对冰型影响

过冷大水滴(supercooled large droplet, SLD)云雾环境不同于常规粒径范围的过冷水滴,具有更大的粒径范围和复杂的水滴粒径分布形式,使得结冰的冰型异常复杂,从而给飞行器的飞行安全带来了前所未有的挑战。现有结冰数值模拟方法仅能模拟单一粒径的水滴,无法准确模拟真实SLD云雾环境“双峰分布”的粒径分布特性和相应的冰型。为了准确高效模拟SLD这种粒径分布特性,提出了一种基于Rosin-Rammler分布函数进行欧拉-拉格朗日混合抽样的水滴轨迹模拟算法。通过所提方法收集水滴,再利用结冰模型与水膜模型计算表面溢流传热和冰高,从而实现了准确高效的SLD粒径分布的结冰数值模拟,并通过2.5维算例研究了SLD粒径分布对机翼结冰的冰型特征以及冰型空间随机性的影响。结果表明:SLD的粒径分布对冰型有较大的影响,冰型特征和冰型随机性与中值体积直径(median volume diameter, MVD)和粒径分布方差紧密关联。

发动机短舱过冷大水滴结冰数值模拟

发动机短舱结冰会对飞机飞行安全造成重大影响。过冷大水滴在撞击物面前存在变形、破碎,撞击时可能出现飞溅、反弹等物理现象,与过冷小水滴存在差异。为更好地模拟过冷大水滴条件下发动机短舱结冰情况,建立了考虑水滴破碎、飞溅、反弹等影响的过冷大水滴运动模型,对某型发动机短舱进行了结冰数值模拟,并研究了边界条件、水滴直径等对结冰外形的影响。计算结果表明,水滴直径越大,局部水收集系数越大,水滴上下撞击极限越大,结冰越厚。短舱风扇处不同边界条件设置对过冷大水滴结冰结果存在影响,边界条件为压力出口和流量出口时计算结果吻合度较高。

过冷大水滴规章对结冰探测系统设计的影响

过冷大水滴规章提高了飞机在结冰条件下飞行的安全等级,将会对结冰探测系统的设计产生一定影响。本文概述了附录O过冷大水滴结冰条件,并对附录O第Ⅰ部分大气结冰条件进行了浅析;分析了FAR25.1420过冷大水滴结冰条件对结冰探测系统设计的影响,并提出符合相关要求的结冰探测方式;指出了对于目前申请在结冰条件下飞行的合格审定的最大起飞重量小于60000磅或具有可逆飞行控制系统的飞机,按照FAR25.1420(a)(1)的要求进行审定是一个较为合适的选择。此外,还给出了一种符合FAR25.1420要求的结冰探测系统方案。

基于水滴收集特征的SLD探头外形参数化设计与仿真研究

面对过冷大水滴(Supercooled large droplet,SLD)结冰环境,行之有效的结冰探测手段是实施规避策略、尽快脱离SLD结冰环境的先决条件。针对一种面向SLD环境探测需求的双碰撞面探头,考虑基于SLD动力学模型,模拟分析探头水滴收集特征进行探头外形参数化设计研究,研究影响探头区分SLD环境的关键几何参数,从而为探头外形设计提供参考依据。对选定的探头外形仿真计算结果表明,在常规水滴条件下,结冰主要发生在探测器的第一碰撞面,第二碰撞面上的结冰厚度很小,与第一碰撞面之间存在明显差异;而在SLD条件下,冰层在第一及第二碰撞面上均有累积。不同直径的水滴撞击到探头不同位置,形成累积特征迥异的结冰形态,验证了探头外形参数化设计方法应用于SLD环境探测的有效性。

过冷大水滴相继撞壁对结冰影响的实验研究

目前过冷大水滴(SLD)撞击结冰机理未能清楚解释SLD间的相互干扰对撞击结冰过程的影响。实验用高速相机拍摄双SLD偏移一定位置相继撞击壁面结冰的物理过程,研究双SLD落点间的偏移、相继撞击的时间间隔对结冰形态及结冰速度的影响。实验表明:双SLD间的相互干扰会抑制撞击后的回缩行为进而影响结冰形态,降低结冰速度,延长双SLD完全冻结时间:双SLD落点位置偏移量的大小对结冰形态和结冰速度的影响均很大,相继撞击时间间隔的长短对结冰形态影响不大,主要影响结冰速度。