3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞云霧參數(shù)校測方法

王梓旭, 沈 浩, 郭 龍, 郭向東, 倪章松

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 四川 綿陽 621000；2. 中國民用航空上海航空器適航審定中心, 上海 201103)

0 引 言

結(jié)冰會破壞飛機(jī)氣動外形，影響飛機(jī)的氣動性能與操穩(wěn)特性，是影響飛行安全的重要隱患之一。因此，世界各國的民用航空適航規(guī)章中都明確規(guī)定，飛機(jī)適航取證過程中必須進(jìn)行結(jié)冰的適航合格審定工作。

結(jié)冰風(fēng)洞作為地面模擬設(shè)備，其試驗條件連續(xù)可控、不受外界氣候條件限制，較易實(shí)現(xiàn)FAR/CCAR 25部附錄C的結(jié)冰云霧包線模擬，且試驗成本低、周期短、可靠性高，常被選擇作為結(jié)冰適航審定的主要符合性驗證手段之一。

意大利CIRA-IWT和美國NASA-IRT是國際上最具代表性的2座結(jié)冰風(fēng)洞，先后參與完成了波音、空客等多個型號飛機(jī)的結(jié)冰合格審定工作，在國際結(jié)冰研究機(jī)構(gòu)中占有重要地位。這些結(jié)冰風(fēng)洞在正式承接型號試驗前均要經(jīng)過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的驗證與標(biāo)檢，目前國際上大多數(shù)結(jié)冰風(fēng)洞依照SAE頒布的ARP5905[1]進(jìn)行校測，以綜合檢驗結(jié)冰風(fēng)洞的相關(guān)性能指標(biāo)是否滿足結(jié)冰和防除冰試驗要求。

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞建成后，參照FAR/CCAR 25部附錄C的結(jié)冰云霧包線范圍[2-3]，按照SAE ARP5905相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求完成了云霧參數(shù)校測工作。本文詳細(xì)介紹了3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞在主試驗段完成的云霧參數(shù)校測流程與方法，并給出代表性結(jié)果。

我國大飛機(jī)、寬體客機(jī)、通用飛機(jī)等民用飛機(jī)未來走向國際市場，必須經(jīng)過適航規(guī)章的合格審定。因此，本文旨在通過介紹3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞校測與驗證的流程、方法和結(jié)果，為我國航空飛行器研制過程中結(jié)冰合格審定的取信工作提供技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)備

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞是一座擁有3個可更換試驗段的閉口、回流式風(fēng)洞，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫、低壓和高濕的模擬結(jié)冰條件。

(a) 3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞二維布局圖

(b) 主試驗段

結(jié)冰風(fēng)洞的輔助系統(tǒng)包括：制冷系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣模擬系統(tǒng)和防/除冰系統(tǒng)等，分別可實(shí)現(xiàn)溫度模擬、云霧模擬、壓力模擬、濕度控制、發(fā)動機(jī)功率狀態(tài)模擬和模型熱氣供氣等功能。風(fēng)洞的基本性能參數(shù)如表1所示。

噴霧系統(tǒng)由1000個水氣內(nèi)混合霧化噴嘴(Spray 98818)組成，可通過改變噴嘴的供水、供氣壓力生成具有特定液滴尺寸和液態(tài)水含量的結(jié)冰云霧，噴嘴可獨(dú)立控制開關(guān)。

本文的校測工作在主試驗段開展。

表1 結(jié)冰風(fēng)洞基本性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of icing wind tunnel

2 云霧參數(shù)校測

云霧參數(shù)是衡量結(jié)冰云霧場性能的重要參數(shù)，是影響結(jié)冰試驗結(jié)果精準(zhǔn)度的關(guān)鍵，其主要包括均勻度、容積平均直徑(MVD，Median Volume Diameter)和液態(tài)水含量(LWC，Liquid Water Content)等。3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞建成以來，依據(jù)SAE(美國機(jī)動車工程師學(xué)會)、FAA(美國聯(lián)邦航空管理局)、中國民用航空局等頒布的若干標(biāo)準(zhǔn)[1-6]，并主要參考ARP5905的《結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)與驗收》，開展了主試驗段的云霧場校測。此外，校測流程與方法還參照了美國NASA-IRT結(jié)冰風(fēng)洞和意大利CIRA-IWT結(jié)冰風(fēng)洞的校測報告[7-10]。

云霧參數(shù)中的3個重要參數(shù)可通過調(diào)節(jié)水壓、氣壓、噴嘴開度實(shí)現(xiàn)不同條件的模擬。其中水壓通過水處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)，氣壓通過供氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)，噴嘴開度通過噴霧控制系統(tǒng)開關(guān)噴嘴水路的電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常采用全開、1/2開和1/4開等3個開度。

2.1 云霧均勻度校測

在進(jìn)行MVD和LWC校測前，首先需要進(jìn)行云霧均勻度校測，用以確定噴霧系統(tǒng)噴嘴的布局與開度。目前國內(nèi)外大多數(shù)結(jié)冰風(fēng)洞均以格柵校測為主。

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段云霧均勻度校測采用1955mm×2705mm的格柵，格柵與上下洞壁相連，其面積覆蓋了試驗段中心88%的橫截面積。格柵網(wǎng)格為150mm×150mm，格柵單元深60mm，迎風(fēng)面寬度為5mm。

校測中，結(jié)冰試驗按霜冰條件進(jìn)行，試驗靜溫低于-18℃，MVD為20μm(噴嘴地面測試時初步獲得初始的水壓、氣壓匹配)，格柵前緣目標(biāo)厚度6.4mm左右。圖3為典型條件下均勻度格柵前緣結(jié)冰情況。

圖2 均勻度格柵

(a)

(b)

獲得格柵結(jié)冰后，采用經(jīng)過預(yù)冷的數(shù)顯千分尺測量格柵迎風(fēng)面的結(jié)冰厚度，依據(jù)編號，記錄所有格柵橫、豎柵條中心位置的結(jié)冰厚度。

結(jié)冰風(fēng)洞的云霧均勻度表征的是試驗段液態(tài)水含量的均勻程度，通常用相對量表示。根據(jù)ARP5905，液態(tài)水含量均勻度可通過格柵上結(jié)冰的相對厚度表示，其關(guān)系式如下：

(1)

式中:LWC(x,y)為格柵上某位置的液態(tài)水含量，g/m3；LWCC為格柵上中心位置(交叉點(diǎn))的液態(tài)水含量，g/m3；τ(x,y)為格柵上某位置的冰厚度，mm；τgrid為格柵厚度，mm；τC為格柵上中心位置的冰厚度，mm；τiceR為相對厚度。

格柵上的測量位置一般取水平和豎直柵條的中心位置，如圖4所示。格柵中心位置的冰厚度計算公式如下：

圖4 典型的格柵測點(diǎn)選取示意圖

(2)

記錄不同條件下均勻度格柵上冰的相對厚度，繪制二維厚度云圖(等高線圖)，用以評估試驗段的云霧場均勻度。

圖5和6給出3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段典型條件下的云霧場均勻度校測結(jié)果。結(jié)果表明，試驗段截面內(nèi)80%以上區(qū)域液態(tài)水含量偏差在±20%內(nèi)，云霧場的均勻性良好，滿足ARP5905中關(guān)于LWC的空間分布要求。靠近上洞壁中部位置LWC整體偏小，而兩側(cè)一致性較好，根據(jù)格柵支撐結(jié)構(gòu)位置情況，分析認(rèn)為格柵上部支撐的3塊矩形連接裝置是造成該現(xiàn)象的主要原因，平面阻擋帶來了前緣氣流擾動，改變了水滴的撞擊特性，使得格柵前緣的水收集率降低，表征為結(jié)冰厚度減小。該連接裝置需要進(jìn)一步優(yōu)化，減少結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積。

圖5 全開狀態(tài)云霧均勻度

圖6 半開狀態(tài)云霧均勻度

云霧場均勻度校測是一項十分復(fù)雜且工作量巨大的測試工作，采用良好的校測流程會大大提高校測效率。根據(jù)已完成的校測工作建議結(jié)冰風(fēng)洞校測流程如下：

(1) 根據(jù)噴嘴的地面測試結(jié)果，確定噴嘴的良好工作區(qū)間(即水氣壓組合條件)，在良好的工作條件下，噴嘴之間的個體差異通常會隨著水氣壓的增大而降低；

(2) 建立不同噴嘴開度與LWC的對應(yīng)關(guān)系圖，每個開度的LWC下限通常為有效的噴嘴水氣壓組合狀態(tài)，即最小的水氣壓組合。圖7為噴嘴開度與LWC的對應(yīng)關(guān)系的示意圖；

圖7 噴嘴開度與LWC的對應(yīng)關(guān)系示意圖

(3) 減小噴嘴開度時，以噴嘴之間近似等間距、距離最短為原則進(jìn)行配置；

(4) 影響均勻度的因素主要包括：噴嘴個體差異、水氣壓組合、噴嘴開度、風(fēng)速等。在不更換噴嘴或改變噴嘴開閉的情況下，均勻度與影響因素之間的關(guān)系如圖8所示。在低LWC范圍內(nèi)，建議優(yōu)先選擇更高的水氣壓組合條件、更低的開度；

圖8 均勻度的影響因素

(5) 在保證均勻度良好的前提下，噴嘴開度與試驗段LWC近似正比關(guān)系，風(fēng)速與LWC近似反比關(guān)系，校測前可根據(jù)此原則進(jìn)行估算。

2.2 MVD校測

云霧中懸浮的液態(tài)小水滴大小不一，其變化范圍可由幾微米至幾百微米，通常采用單一參數(shù)描述云霧全部水滴的總體特性，常采用容積平均直徑MVD代表[11-12]。目前各國結(jié)冰風(fēng)洞對于MVD校測采用的儀器有所不同，主要設(shè)備包括前向散射分光儀(FSSP)、光學(xué)陣列測量儀(OAP)、馬爾文測量儀(Malvern Spraytec)、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)和機(jī)載式相位多普勒干涉儀(PDI-FPDR)等。

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞MVD校測采用Malvern Spraytec 和PDI-FPDR進(jìn)行多儀器匹配測量。Malvern Spraytec主要進(jìn)行噴嘴的地面測試，測量范圍為0.5～2000μm，測量精度為±1%(Dv50標(biāo)準(zhǔn)粒子)。PDI-FPDR主要用于洞內(nèi)校測，測量范圍為0.5～1000μm，測量精度為0.5μm。

PDI-FPDR是在相位多普勒干涉儀(PDI)基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代相位多普勒顆粒分析系統(tǒng)，其工作原理是采用激光器作為光源，將顆?？醋饕粋€微小的透鏡，測量顆粒對平行入射激光的散射光變化，以其不同空間接收位置散射光的相位變化來反映該微小透鏡的焦距大小，即顆粒的粒徑大??；通過頻率變化反映其運(yùn)動速度的大小[11]。

MVD洞內(nèi)校測是將PDI-FPDR測量儀置于風(fēng)洞中心，給定固定的水壓(pw)、氣壓(pa)匹配工況，連續(xù)采集云霧水滴直徑30s以上，待測試結(jié)果穩(wěn)定后記錄MVD、水壓和氣壓。改變不同水壓、氣壓匹配狀態(tài)，重復(fù)測量過程，建立MVD、pw和pa數(shù)據(jù)庫。

圖9 用于MVD校測的PDI-FPDR儀器

(1) 云霧MVD模擬方法

基于校測過程中所建立的MVD、pw和pa數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)值解析法分析MVD與pw、pa的相關(guān)性，采用最小二乘誤差分析法建立MVD與pw、pa的關(guān)系函數(shù)MVD=f(pw,pa)。該關(guān)系函數(shù)作為結(jié)冰云霧的控制依據(jù)，可以根據(jù)試驗前所需的MVD和LWC快速查詢系統(tǒng)控制所需的pw、pa。

(2) 誤差分析

繪制MVD=f(pw,pa)函數(shù)曲線，并將實(shí)際校測值以離散點(diǎn)形式繪制于同一曲線圖中，分析校測值與理論分析結(jié)果的偏差是否滿足±10%的偏差要求(見ARP5905 P16)。此外，校測標(biāo)準(zhǔn)中備注指出，當(dāng)MVD小于30μm時，以±3μm的不確定度替代10%偏差要求。

(3) 重復(fù)性校測

開展相同模擬條件下的重復(fù)性校測，檢驗是否滿足±10%的偏差要求。

(4) 針對性校測

針對不同試驗的模擬條件需求，試驗前可根據(jù)試驗條件進(jìn)行查表與計算獲得噴霧系統(tǒng)所需的pw、pa，再抽檢典型狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)洞內(nèi)實(shí)際校測，以確保云霧參數(shù)控制的準(zhǔn)確度。

圖10給出了3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段典型MVD校測結(jié)果。其中(a)為試驗測量結(jié)果與擬合曲線，(b)為試驗測量結(jié)果與數(shù)值擬合結(jié)果的差異性分析。結(jié)果表明，MVD隨水壓增大而增加，隨氣壓增大而減??；在氣壓大于某一臨界值時，將無法形成穩(wěn)定的噴霧條件；對于同一水氣壓組合條件下的MVD重復(fù)性偏差小于10%，在30μm以下偏差值小于3μm；水滴直徑模擬范圍能夠覆蓋FAR 25部附錄C規(guī)定的15～50μm的范圍，且相對于數(shù)值擬合分析結(jié)果，實(shí)際測試結(jié)果在±10%的偏差范圍內(nèi)。

(a) MVD校測結(jié)果與擬合

(b) 不確定度分析

2.3 LWC校測

LWC代表單位體積內(nèi)的總含水量。目前各國結(jié)冰風(fēng)洞采用的測試儀器主要包括冰刀、旋轉(zhuǎn)圓柱、LWC熱線測量儀等[11-12]。

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞LWC校測主要有LWC-200熱線測量儀(見圖11)和冰刀裝置(見圖12)。LWC-200熱線測量儀因能夠快速獲得LWC測量值，主要用于提高LWC的校測效率。測量范圍為0～3.0g/m3，響應(yīng)頻率25Hz。校測過程中，測量儀安裝在試驗段中心，即可以根據(jù)儀器測量值建立起LWC與其他影響參數(shù)之間的關(guān)系。

圖11 LWC-200熱線測量儀

圖12 用于LWC校測的冰刀裝置

冰刀法是國內(nèi)外常用LWC校測方法，但總體效率較低，主要用于校測結(jié)果間的相互對比驗證。校測過程中，將冰刀支撐于風(fēng)洞試驗段中心，在指定試驗條件下運(yùn)行風(fēng)洞并開啟噴霧系統(tǒng)，噴霧穩(wěn)定后，將冰刀防護(hù)罩打開，待冰生長一定時間后，將防護(hù)罩關(guān)閉。使用預(yù)冷的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量冰刀工作面上的冰厚度(不少于3個測點(diǎn)位置)，記錄平均值，并按下式計算液態(tài)水含量[14]。

(3)

式中：ρice為冰的密度，kg/m3；τ為冰刀上平均結(jié)冰厚度，m；Eb為收集系數(shù)，由CFD計算獲得；V為模型區(qū)中心風(fēng)速，m/s；t為結(jié)冰時間，s。

改變不同水壓、氣壓、水滴直徑、風(fēng)速(V)、模擬高度(H)、噴嘴開度(N_D)等控制條件，重復(fù)測量過程，建立LWC與影響參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。

(1) 云霧LWC模擬方法

通過多步數(shù)值分析法建立LWC與影響參數(shù)的關(guān)系函數(shù)如下：

LWC=F(MVD,pw)G(N_D)H(VTS)I(H)

(4)

該關(guān)系函數(shù)同樣作為結(jié)冰云霧的控制依據(jù)，可以根據(jù)試驗前所需的MVD和LWC查詢或求解系統(tǒng)控制所需的pw、pa。

(2) 誤差分析

設(shè)置其他影響參數(shù)為定值，繪制LWC=f(pw,MVD)函數(shù)曲線，并將實(shí)際校測值以離散點(diǎn)形式繪制于同一曲線圖中，分析校測值與理論分析結(jié)果的偏差是否滿足±20%的偏差要求(見ARP5905 P16)。

(3) 重復(fù)性校測

開展相同模擬條件下的重復(fù)性校測，檢驗是否滿足±20%的偏差要求。

(4) 針對性校測

針對不同試驗的模擬條件需求，首先根據(jù)試驗條件進(jìn)行查表與計算獲得噴霧系統(tǒng)所需的pw、pa，再進(jìn)行試驗條件抽樣校測，確保云霧參數(shù)控制的準(zhǔn)確度。

圖13描述了當(dāng)前結(jié)冰風(fēng)洞部分已校測的數(shù)據(jù)點(diǎn)與FAR 25部附錄C規(guī)定的結(jié)冰云霧包線間的關(guān)系，這表明風(fēng)洞已經(jīng)完成了一定范圍的包線內(nèi)典型狀態(tài)校測，部分狀態(tài)點(diǎn)的模擬能力已超出結(jié)冰云霧包線范圍。理論上，在風(fēng)速不受限定的情況下，3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞能夠模擬大部分的結(jié)冰云霧包線，但仍需關(guān)注高風(fēng)速、低液態(tài)水含量下的均勻性。圖14給出了3000m高度下的校測結(jié)果，其中(a)為LWC校測試驗結(jié)果與數(shù)值擬合曲線，(b)為試驗測量結(jié)果與數(shù)值擬合結(jié)果的不確定度分析。結(jié)果表明，在保持MVD不變的情況下，LWC隨著水壓的增大而增加；對于同一水氣壓組合條件，LWC的重復(fù)性偏差小于20%，且部分工況下優(yōu)于±10%；LWC校測結(jié)果與數(shù)值擬合結(jié)果能夠滿足±20%的指標(biāo)要求。

圖13 典型LWC校測結(jié)果與結(jié)冰云霧包線的對應(yīng)關(guān)系

2.4 小 結(jié)

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞云霧參數(shù)校測主要依據(jù)ARP5905校測標(biāo)準(zhǔn)要求，以實(shí)際校測結(jié)果數(shù)據(jù)為輸入條件，分析建立噴霧系統(tǒng)控制策略與方法，并進(jìn)行誤差分析與可靠性分析。具體流程如圖15所示。

(a) LWC測量結(jié)果與擬合

(b) 不確定度分析

圖15 云霧參數(shù)校測數(shù)據(jù)處理流程

結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)際能力能夠覆蓋大部分FAR/CCAR 25部附錄C的結(jié)冰云霧包線范圍，但校測前應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃好需要測試的離散結(jié)冰狀態(tài)點(diǎn)，以提高校測工作的效率，確保云霧參數(shù)校測的數(shù)據(jù)庫完整性，并需在風(fēng)洞運(yùn)行過程中定期開展校測與檢驗。

3 結(jié)論與建議

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞已經(jīng)完成了主試驗段的云霧場校測，云霧場均勻度能夠覆蓋試驗段橫截面積的60%以上，云霧容積平均直徑(MVD)穩(wěn)定性優(yōu)于±10%，液態(tài)水含量(LWC)穩(wěn)定性優(yōu)于±20%，云霧參數(shù)滿足ARP 5905相關(guān)指標(biāo)要求。然而，結(jié)冰風(fēng)洞的云霧參數(shù)校測是一個復(fù)雜且長期的工作，ARP5905中指出結(jié)冰風(fēng)洞每5年需要進(jìn)行一次全面校測，期間還要進(jìn)行中間校測和檢驗性校測，其中檢驗性校測需每6個月進(jìn)行一次，主要檢測云霧參數(shù)是否有大的變動。因此，結(jié)冰風(fēng)洞需要通過持續(xù)不斷地開展定期與不定期校測工作，以確保試驗參數(shù)與試驗結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

由于國內(nèi)大多數(shù)MVD和LWC測試設(shè)備均為引進(jìn)國外成熟產(chǎn)品，在設(shè)備本身的標(biāo)定與檢測方面還存在一定困難和局限性，建議我國各類結(jié)冰風(fēng)洞在建立正規(guī)的測試儀器標(biāo)定流程前，先進(jìn)行單儀器的重復(fù)性對比與多儀器間的互對比研究，以確保測試儀器的精準(zhǔn)度。

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