大型結(jié)冰風(fēng)洞云霧場適航應(yīng)用符合性驗證

郭向東，張平濤，趙照，賴慶仁，郭龍

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點實驗室，綿陽 621000

結(jié)冰風(fēng)洞是開展飛機結(jié)冰研究、驗證飛機防除冰系統(tǒng)性能的重要地面試驗設(shè)備，其在飛機結(jié)冰適航審定中扮演著重要角色[1-3]。為滿足飛機結(jié)冰適航審定試驗需求，結(jié)冰風(fēng)洞必須開展全面的云霧場校測評估，驗證其適航應(yīng)用符合性[4]。近年來，隨著國內(nèi)大型結(jié)冰風(fēng)洞——3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞的建成，在 C919、CR929 等國產(chǎn)大型客機結(jié)冰適航審定的需求牽引下，3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞云霧場適航應(yīng)用符合性亟待得到驗證。

世界范圍內(nèi)主要結(jié)冰風(fēng)洞均開展了全面的云霧場校測評估，為其適航應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[5-16]。其中，美國 NASA Glenn 中心IRT結(jié)冰風(fēng)洞在該領(lǐng)域研究的最全面[5-9]，建立了系統(tǒng)的結(jié)冰云霧校測方法，先后開展了多期校測試驗，全面驗證了云霧場適航應(yīng)用符合性。意大利CIRA結(jié)冰風(fēng)洞作為國際上尺寸最大、性能最完善的結(jié)冰風(fēng)洞之一[10-12]，同樣發(fā)展了配套的結(jié)冰云霧場校測設(shè)備和方法，針對其主試驗段、次試驗段和高速試驗段3種試驗構(gòu)型，均開展了全面的云霧場校測，奠定了該風(fēng)洞適航應(yīng)用基礎(chǔ)。此外，一些小尺寸結(jié)冰風(fēng)洞同樣開展了系統(tǒng)的結(jié)冰云霧場校測試驗研究，例如美國波音公司BRAIT 結(jié)冰風(fēng)洞[13]、Cox公司結(jié)冰風(fēng)洞[14]、Goodrich公司DSSD結(jié)冰風(fēng)洞[15]、加拿大NRC結(jié)冰風(fēng)洞[16]。而在國內(nèi)，圍繞3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞，一些學(xué)者開展了初步的噴嘴霧化特性[17-18]、云霧測量方法[19-21]以及云霧校測方法[22]研究，但是，這些研究未建立系統(tǒng)的云霧場符合性驗證方法，同時未全面評估3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞云霧場品質(zhì)，欠缺該風(fēng)洞的適航應(yīng)用基礎(chǔ)。

因此，鑒于急迫的型號試驗需求以及目前國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，本文首先發(fā)展了結(jié)冰風(fēng)洞云霧場符合性驗證方法，然后針對3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段構(gòu)型，開展了云霧場符合性驗證試驗，獲得了試驗段內(nèi)液滴尺寸和液態(tài)水含量擬合關(guān)系，考察了噴嘴水壓、液滴尺寸、試驗段氣流速度和噴嘴數(shù)量對試驗段液態(tài)水含量的影響，評估了試驗段內(nèi)云霧場品質(zhì)，形成了主試驗段結(jié)冰云霧控制包線，為3 m× 2 m結(jié)冰風(fēng)洞適航應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞簡介

中國空氣動力研究與發(fā)展中心3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞是一座閉口回流式高亞聲速風(fēng)洞(見圖1)，主要包括結(jié)冰噴霧系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)和風(fēng)機動力系統(tǒng)。結(jié)冰噴霧系統(tǒng)利用噴霧耙和噴嘴產(chǎn)生結(jié)冰云霧。其中：噴霧耙由20排水平耙組成，每排設(shè)置50個噴嘴安裝位置；噴嘴選用Spray 98818型氣液內(nèi)混式霧化噴嘴，該型噴嘴通過在混合腔內(nèi)引入高壓空氣和水流，利用氣液間的劇烈相互作用，在噴嘴出口處產(chǎn)生實心錐狀噴霧，霧化錐角約為20°[18]。3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞擁有主試驗段、次試驗段和高速試驗段3種可更換的試驗段構(gòu)型(見表1)，本文選擇主試驗段構(gòu)型，開展云霧場符合性驗證研究。

圖1 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞Fig.1 3 m×2 m icing wind tunnel

表1 試驗段尺寸參數(shù)Table 1 Test section size parameters

2 結(jié)冰風(fēng)洞云霧場符合性驗證方法

2.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)容

目前國際結(jié)冰適航領(lǐng)域普遍采用《Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels》(SAE ARP5905)標(biāo)準(zhǔn)驗證結(jié)冰風(fēng)洞流場適航應(yīng)用符合性[4]。根據(jù)SAE ARP5905標(biāo)準(zhǔn)，表2給出了結(jié)冰風(fēng)洞云霧場品質(zhì)指標(biāo)，表中針對云霧體積中值直徑(MVD)(定義為小于該直徑的液滴體積與大于該直徑的液滴體積相等)和液態(tài)水含量(LWC,定義為單位體積云霧內(nèi)液態(tài)水的質(zhì)量)兩個特征參數(shù)，分別給出了測試設(shè)備最大不確定度、風(fēng)洞中心線處時間穩(wěn)定性和空間均勻性3個符合性指標(biāo)。本文依據(jù)SAE ARP5905標(biāo)準(zhǔn)，以液滴尺寸和液態(tài)水含量為試驗對象，開展了主試驗段云霧場符合性驗證試驗，獲得了液滴尺寸和液態(tài)水含量擬合關(guān)系式，評估了試驗段內(nèi)云霧場空間均勻性和時間穩(wěn)定性，形成了結(jié)冰云霧控制包線。

表2 結(jié)冰風(fēng)洞云霧場品質(zhì)指標(biāo)Table 2 Quality index of icing cloud flowfield in icing wind tunnel

2.2 試驗儀器

2.2.1 液滴尺寸測量儀器

3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞采用Artium Technologies公司研發(fā)的雙通道機載式相位多普勒干涉儀(Phase Doppler Interferometer Flight Probe Dual Range,PDI-FPDR)測量液滴尺寸[19]。該儀器(見圖2)基于相位多普勒方法能夠同時實現(xiàn)液滴直徑和液滴速率的測量，其中液滴直徑測量范圍為0.5～2 500 μm，測量準(zhǔn)確度與分辨率為±0.5 μm。應(yīng)該指出的是，相位多普勒干涉方法可以精確測量小尺寸球形液滴，但對于大尺寸的非球形液滴和冰晶顆粒，則存在顯著測量誤差[23]。而對于適航條例25部附錄C結(jié)冰條件，云霧中主要包括直徑小于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設(shè)備適用性較好。

圖2 雙通道機載式相位多普勒干涉儀Fig.2 Phase doppler interferometer flight probe dual range

2.2.2 液態(tài)水含量測量設(shè)備

液態(tài)水含量測量設(shè)備包括冰刀裝置、熱線液態(tài)水含量傳感器和結(jié)冰格柵，其中冰刀裝置和熱線液態(tài)水含量傳感器用于測量試驗段中心處液態(tài)水含量，結(jié)冰格柵則用于評估試驗段內(nèi)液態(tài)水含量空間分布。

冰刀裝置(見圖3)為自研設(shè)備[21]，主要由冰刀工作面、防護罩和控制系統(tǒng)組成。其中，冰刀工作面尺寸為300 mm高、60 mm寬、3 mm厚，防護罩尺寸與NACA0012翼型前緣部分相同。冰刀裝置在低液態(tài)水含量條件下的測量不確定度約為±5%，但是在高水含量條件下，尤其當(dāng)水含量超過了冰刀液態(tài)水含量測量極限(即Ludlam極限)，冰刀裝置將無法準(zhǔn)確測量云霧液態(tài)水含量[25](詳見3.2節(jié))。

圖3 冰刀裝置Fig.3 Icing blade device

熱線液態(tài)水含量傳感器(見圖4)采用美國DMT公司研制的LWC-200型熱線傳感器。該儀器采用恒溫型熱線探頭(King型)，探頭控制溫度為125 ℃，液態(tài)水含量測量范圍為0～3 g/m3,測量不確定度約為±10%[26]。

圖4 熱線液態(tài)水含量傳感器Fig.4 Hot wire liquid water content sensor

結(jié)冰格柵(見圖5)為自研設(shè)備[22]，由不銹鋼柵條等距焊接而成，上下端部通過框架與試驗段轉(zhuǎn)盤相連。柵條尺寸為60 mm寬、5 mm厚，相對柵條間距為150 mm。結(jié)冰格柵包括192個正方形的格柵單元，覆蓋范圍為2 400 mm寬、1 800 mm高。

圖5 結(jié)冰格柵Fig.5 Icing grid

2.3 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

2.3.1 液滴尺寸

表3給出了液滴尺寸試驗工況，表中Pa、Pw、VTS、Tt和NR分別為噴嘴氣壓、噴嘴水壓、試驗段氣流速度、試驗段氣流總溫和噴嘴數(shù)量比，其中噴嘴水、氣壓為相對于噴嘴出口環(huán)境壓力的表壓參數(shù)，噴嘴數(shù)量比定義為試驗使用的噴嘴數(shù)量與總噴嘴數(shù)量之比(1/1NR表示使用1 000個噴嘴，1/2NR表示使用500個噴嘴，1/4NR表示使用250個噴嘴)。表中各噴嘴水、氣壓參數(shù)試驗范圍均為0.05～0.9 MPa，壓力間距為0.05 MPa。此外，為消除云霧回流對測試結(jié)果的影響，試驗段氣流總溫選為-2 ℃。

表3 液滴尺寸試驗工況Table 3 Test conditions of droplet size

噴霧水氣壓測量點矩陣如圖6所示，圖中色點為測試點，虛線表示水、氣壓等值線，在該虛線上部PwPa。根據(jù)結(jié)冰風(fēng)洞供水供氣系統(tǒng)能力，試驗中采用的所有噴嘴具有相同的水壓和氣壓，并且通常采用的水、氣壓試驗范圍為0.05～0.9 MPa，因此本期試驗采用該水、氣壓試驗范圍，同時將最小壓力變化間隔選取為0.05 MPa。此外，考慮到噴嘴在PwPa區(qū)域內(nèi)的測量點開展。

圖6 噴嘴水、氣壓測量點矩陣Fig.6 Measured points matrix of nozzle water and air pressure

試驗前，將PDI-FPDR安裝于試驗段轉(zhuǎn)盤中心處，此時儀器光學(xué)采樣區(qū)則位于試驗段中心線處。試驗時，待云霧場完全建立并穩(wěn)定后(等待時間不少于10 s)進行參數(shù)采集，各測點采樣時間為10 s。試驗后利用測量的MVD以及對應(yīng)的噴嘴水氣壓，建立MVD擬合關(guān)系式，表示為

MVD=f(Pw,Pa)

(1)

液滴尺寸時間分布以試驗段中心線處MVD時間平均值(MVDta)為基準(zhǔn)，采用MVD時間偏差(ΔMVDT)表征，表示為

(2)

式中:下標(biāo)ta表示時間平均。進而采用MVD時間偏差標(biāo)準(zhǔn)差(σ(ΔMVDT))和最大絕對值(|ΔMVDT|max) 評估試驗段中心線處液滴尺寸時間穩(wěn)定性。

2.3.2 液態(tài)水含量

試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量受噴嘴水壓、液滴尺寸(MVD)、試驗段氣流速度和噴嘴數(shù)量的共同影響。表4給出了結(jié)冰風(fēng)洞試驗段中心處液態(tài)水含量試驗工況。其中，噴嘴氣壓參數(shù)由MVD擬合公式(式(1))計算得到，最大試驗段氣流速度根據(jù)試驗設(shè)備堵塞情況確定，同時為確保冰刀裝置前緣為霜冰(凍結(jié)系數(shù)n0=1)，試驗段氣流總溫設(shè)置為-20 ℃。

表4 試驗段中心處液態(tài)水含量試驗工況Table 4 Test conditions of liquid water content at center of test section

試驗段中心處液態(tài)水含量主要采用冰刀裝置測量，而熱線傳感器僅用于評估液態(tài)水含量時間穩(wěn)定性。試驗前，將冰刀裝置(或熱線傳感器)安裝于試驗段轉(zhuǎn)盤中心處，冰刀工作面前緣中心則位于試驗段中心處。試驗時，待云霧場穩(wěn)定后，冰刀裝置防護罩打開，結(jié)冰完成后冰刀防護罩關(guān)閉。試驗后，使用預(yù)冷的游標(biāo)卡尺，測量冰刀工作面前緣積冰厚度，測量位置選取冰刀工作面前緣中心點、中心點上方75 mm和中心點下方75 mm 3個位置，積冰厚度則取3個位置測量參數(shù)的平均值。應(yīng)該指出的是，試驗前應(yīng)謹(jǐn)慎選取結(jié)冰時間，確保冰刀前緣平均積冰厚度近似為4 mm，同時積冰寬度則不超過5 mm[25]。

冰刀液態(tài)水含量計算公式為

(3)

式中:ρi為積冰密度(通常取為880 kg/m3)[4,25];δ為冰刀前緣積冰厚度;Eb為冰刀水收集率;t為冰刀積冰時間。由于冰刀水收集系數(shù)Eb一般采用數(shù)值計算的方法獲得，因此本文采用文獻[27-28]發(fā)展的基于歐拉法的氣液兩相耦合流動計算方法，給出了典型試驗條件下的冰刀水收集率，如圖7所示。圖中黑色虛線表示參考數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)由NASA給出[4])，空心點表示本文計算結(jié)果，從圖中可以看出：在40～120 m/s范圍內(nèi)，二者誤差小于1%，驗證了本文采用的計算方法和結(jié)果的可靠性；考慮到NASA參考數(shù)據(jù)僅給出了120 m/s以內(nèi)的計算結(jié)果，無法完全滿足本文試驗需求，因此本文給出了140 m/s工況下的計算結(jié)果，有效擴展了NASA參考數(shù)據(jù)，滿足試驗需求。

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

利用測量的LWC參數(shù)以及對應(yīng)的噴嘴水壓、MVD、試驗段氣流速度和噴嘴數(shù)量比參數(shù)，建立LWC擬合關(guān)系式，表示為

LWC=f(Pw,MVD,VTS,NR)

(4)

液態(tài)水含量時間分布以試驗段中心線處LWC時間平均值(LWCta)為基準(zhǔn)，采用液態(tài)水含量時間偏差(ΔLWCT)表征，表示為

(5)

最后，采用液態(tài)水含量時間偏差標(biāo)準(zhǔn)差(σ(ΔLWCT)) 和最大絕對值(|ΔLWCT|max)評估試驗段中心線處液態(tài)水含量時間穩(wěn)定性。

試驗段內(nèi)結(jié)冰云霧液態(tài)水含量空間分布通過結(jié)冰格柵前緣積冰厚度的空間分布表征。表5 給出了試驗段內(nèi)液態(tài)水含量空間分布試驗工況。表中試驗段總溫仍設(shè)置為-20 ℃，以確保結(jié)冰格柵前緣積冰為霜冰形態(tài)，同時調(diào)整液態(tài)水含量和結(jié)冰時間，控制格柵前緣積冰厚度近似為6.4 mm[4]。

表5 試驗段內(nèi)液態(tài)水含量空間分布試驗工況Table 5 Test conditions for spatial distribution of liquid water content in test section

圖8給出了結(jié)冰格柵測量點位置矩陣，圖中X軸從試驗段左壁(沿流向左側(cè)為左壁)指向右壁，Y軸從試驗段下壁面指向上壁面，圓點為測量點，星點為結(jié)冰云霧均勻度參考點，位于結(jié)冰格柵中心處(即試驗段中心線處)。試驗段內(nèi)共設(shè)置204個測量點，所有測量點均位于豎直柵條前緣，測點間橫向(X方向)和縱向(Y方向)間距均為150 mm，占主試驗段橫截面積的66%。此外，參考點位于橫縱柵條交點處，由于該位置無法測量積冰厚度，因此選取與其相鄰的上下測點位置處的積冰厚度平均值代替。

試驗前，將結(jié)冰格柵安裝于試驗段內(nèi)，試驗結(jié)束后，采用預(yù)冷的游標(biāo)卡尺依次測量試驗段內(nèi)結(jié)冰格柵各測點處的前緣積冰厚度。液態(tài)水含量空間分布以試驗段中心線處積冰厚度δC(見圖8)為基準(zhǔn)，采用液態(tài)水含量空間偏差(ΔLWCS)表征，表示為

圖8 結(jié)冰格柵測量點位置矩陣Fig.8 Position matrix of measured points in icing grid

(6)

采用液態(tài)水含量空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差(σ(ΔLWCS))和最大絕對值(|ΔLWCS|max)評估試驗段內(nèi)液態(tài)水含量空間均勻性。

應(yīng)該指出的是，為了在試驗段內(nèi)形成均勻分布的結(jié)冰云霧，需要調(diào)整噴嘴數(shù)量和開閉位置，優(yōu)化云霧空間均勻性，通過反復(fù)多次迭代優(yōu)化，最終形成最優(yōu)的噴嘴布局分布。圖9給出了結(jié)冰風(fēng)洞目前采用的3種噴嘴布局分布，分別對應(yīng)1/1NR、1/2NR和1/4NR條件。

圖9 噴嘴布局分布圖Fig.9 Nozzle pattern maps

3 試驗結(jié)果

3.1 液滴尺寸

圖10給出了主試驗段中心線處液滴尺寸分布，圖10(a)和圖10(b)分別對應(yīng)歸一化的液滴累計體積分布和液滴體積分布，其中累積體積分?jǐn)?shù)定義為云霧中直徑小于選定液滴直徑的液滴體積相對于總液滴體積的占比(MVD為50%累計體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的液滴直徑)。從圖中可以看出：主試驗段內(nèi)液滴尺寸分布具有顯著的單峰特征，呈鐘形分布；在MVD≤ 50 μm范圍內(nèi)，最大液滴直徑約為100 μm。

圖10 主試驗段中心線處液滴尺寸分布Fig.10 Distribution of droplet sizes at centerline of main test section

基于測量的MVD、Pw和Pa參數(shù)，MVD擬合關(guān)系式表示為

MVD=

(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的適用范圍為0.05～0.9 MPa，相應(yīng)的Pa的適用范圍則由圖10(a)給出，最終MVD的變化范圍約為10～75 μm。

根據(jù)MVD擬合關(guān)系式，圖11給出了主試驗段中心線處MVD分析曲線和曲線不確定度，圖11(a) 中還給出了典型MVD對應(yīng)的噴嘴水氣壓擬合關(guān)系曲線，圖11(c)中橫縱軸參數(shù)分別為分析MVD參數(shù)(MVDa)和測量MVD參數(shù)(MVDm)。從圖11(a)中可以看出：典型MVD對應(yīng)的噴嘴水氣壓近似呈線性關(guān)系，其中擬合曲線主要分布在Pw>Pa區(qū)域內(nèi)；但是隨著MVD的減小，噴嘴水氣壓擬合曲線在Pw

圖11 主試驗段中心線處MVD分析曲線和曲線不確定度Fig.11 Analytical curves of MVD and uncertainty of curves at centerline of main test section

圖12給出了主試驗段中心線處典型液滴尺寸時間偏差變化曲線，其中包括20 μm MVD條件下0.15 MPa和0.40 MPa兩個噴嘴水壓對應(yīng)的試驗結(jié)果。從圖中可以看出，典型工況下，液滴尺寸時間偏差均在±5%范圍內(nèi)，時間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對值則均小于2.5%和4.5%。由此可見，在主要試驗工況下，結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段液滴尺寸時間穩(wěn)定性均較好，滿足指標(biāo)要求，此處受篇幅所限，并未全部羅列。

圖12 主試驗段中心線處典型液滴尺寸時間偏差變化曲線Fig.12 Typical variation profiles of droplet sizes with time deviation at centerline of main test section

3.2 液態(tài)水含量

基于測量的LWC、Pw、MVD、VTS和NR參數(shù)，LWC擬合關(guān)系式表示為

LWC=[a+blnPw+clnMVD+d(lnPw)2+

e(lnMVD)2+flnPwlnMVD+g(lnPw)3+

h(lnMVD)3+ilnPw(lnMVD)2+

(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的適用范圍分別為0.05～0.9 MPa、15～50 μm和40～140 m/s。

圖13給出了主試驗段中心處液態(tài)水含量分析曲線不確定度，圖中橫縱軸參數(shù)分別為分析LWC參數(shù)(LWCa)和測量LWC參數(shù)(LWCm)。從圖中可以看出，LWC擬合關(guān)系式(式(8))不確定度均在±20%范圍內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。

圖13 主試驗段中心處液態(tài)水含量分析曲線不確定度Fig.13 Uncertainty of analytical curves for liquid water content at center of main test section

為考察噴嘴水壓、液滴尺寸(MVD)、試驗段氣流速度和噴嘴數(shù)量對試驗段中心處液態(tài)水含量的影響，圖14給出了典型工況下液態(tài)水含量試驗結(jié)果與分析曲線，圖中紅色箭頭虛線表示Ludlam極限。

從圖14(a)中可以看出，隨著Pw和MVD的增大，液態(tài)水含量分析結(jié)果不斷增大，并且在大部分工況下，分析結(jié)果與試驗結(jié)果匹配較好，但是在15 μm和40 μm工況高噴嘴水壓條件下，試驗測量的液態(tài)水含量顯著低于分析結(jié)果(如圖陰影區(qū)所示)。這可以分別解釋為：根據(jù)圖11(a)，在相同噴嘴水壓下，增大MVD會減小噴嘴氣壓，而增大噴嘴水壓，減小噴嘴氣壓，均會增大噴嘴水流量[17]，最終噴嘴水流量的增大自然會導(dǎo)致試驗段內(nèi)液態(tài)水含量的增大；在15 μm工況下，當(dāng)Pw≥ 0.6 MPa時，對應(yīng)的噴嘴氣壓則會超過0.5 MPa(見圖11(a))，此時噴嘴出口高壓干空氣的等熵膨脹效應(yīng)會顯著降低噴嘴出口氣流靜溫[29]，導(dǎo)致噴霧液滴發(fā)生凍結(jié)，形成了固體冰晶，進而減小了試驗段內(nèi)液態(tài)水含量，與此同時冰刀前緣積冰出現(xiàn)腐蝕型特征，則進一步驗證固體冰晶的存在[30]；在40 μm工況下，當(dāng)Pw≥ 0.5 MPa時，云霧液態(tài)水含量顯著超過了冰刀液態(tài)水含量測量極限[31](即Ludlam極限)，此時冰刀前緣處的云霧液滴無法完全凍結(jié)，發(fā)生流動損失，積冰形貌則偏離霜冰、而趨近于明冰，最終導(dǎo)致冰刀測量結(jié)果顯著低于分析結(jié)果。此處需要指出，冰刀Ludlam極限定義為當(dāng)冰刀前緣壁面溫度為0 ℃且凍結(jié)系數(shù)為1時對應(yīng)的液態(tài)水含量，其為冰刀尺寸、氣流速度和氣流總溫的函數(shù)[25,31]。

從圖14(b)中可以看出，增大氣流速度會減小試驗段中心處液態(tài)水含量，其中LWC與VTS近似成反比，此時試驗結(jié)果與分析結(jié)果匹配較好。應(yīng)該指出的是，在40 m/s工況下，當(dāng)Pw超過0.4 MPa 后，云霧液態(tài)水含量逐漸超過了Ludlam極限(Ludlam極限隨氣流速度的增大而減小)，此時冰刀前緣積冰形貌從霜冰演化成明冰，并發(fā)生了顯著冰脫落，進而導(dǎo)致在Pw≥ 0.5 MPa條件下缺少有效試驗數(shù)據(jù)。此外，在140 m/s工況下，試驗段靜溫將會下降到約-30 ℃(氣流總溫為-20 ℃)，此時云霧液滴極易發(fā)生凍結(jié)，積冰形貌則會出現(xiàn)腐蝕型特征，進而導(dǎo)致冰刀測量結(jié)果低于真實云霧液態(tài)水含量，因此試驗中通過提高噴霧耙內(nèi)噴嘴供水供氣溫度，同時適當(dāng)提高氣流總溫，能減弱液滴凍結(jié)對試驗結(jié)果的影響。

從圖14(c)中可以看出，增大噴嘴數(shù)量比會增大試驗段內(nèi)液態(tài)水含量，其中LWC與NR近似成正比，并且大部分試驗結(jié)果與分析結(jié)果匹配較好，但是在1/1NR工況下，當(dāng)Pw≥ 0.5 MPa時，冰刀測量結(jié)果顯著低于分析結(jié)果(如圖陰影區(qū)所示)。這主要是由于該工況下，當(dāng)Pw≥ 0.5 MPa時，云霧液態(tài)水含量顯著超過了冰刀Ludlam極限，此時冰刀前緣積冰形貌演化成明冰，云霧液滴無法完全凍結(jié)，進而導(dǎo)致冰刀測量結(jié)果顯著低于分析結(jié)果。

圖14 典型工況下主試驗段中心處液態(tài)水含量試驗結(jié)果與分析曲線Fig.14 Test results and analytical curves of liquid water content at center of main test section under typical conditions

由此可見，當(dāng)云霧液態(tài)水含量超過冰刀Ludlam極限后，冰刀法無法準(zhǔn)確測量云霧液態(tài)水含量，因此目前結(jié)冰風(fēng)洞采用分析曲線外插法，給出液態(tài)水含量超過Ludlam極限的云霧控制參數(shù)。進一步根據(jù)文獻[25]，美國NASA IRT結(jié)冰風(fēng)洞發(fā)展了基于多熱線總水含量探針的云霧液態(tài)水含量測量方法，該方法對高水含量云霧條件以及過冷大水滴結(jié)冰條件下的液態(tài)水含量測量具有極大潛力，因此針對該設(shè)備的測量方法研究將會是3 m ×2 m結(jié)冰風(fēng)洞云霧液態(tài)水含量測量研究的重點。

圖15給出了主試驗段中心處典型液態(tài)水含量時間偏差變化曲線，其中包括20 μm MVD、80 m/sVTS、1/1NR條件下0.15 MPa和0.40 MPa兩個噴嘴水壓對應(yīng)的試驗結(jié)果。從圖中可以看出，典型工況下，液態(tài)水含量時間偏差基本在±5%范圍內(nèi)，時間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對值則均小于2.2% 和6.6%。由此可見，目前結(jié)冰風(fēng)洞主要試驗工況下，液態(tài)水含量時間穩(wěn)定性均較好，滿足指標(biāo)要求，受篇幅所限，并未全部羅列。

圖15 主試驗段中心處典型液態(tài)水含量時間偏差變化曲線Fig.15 Typical variation profiles of LWC with time deviation at center of main test section

為考察噴嘴水壓對云霧液態(tài)水含量空間均勻性的影響，圖16給出了典型噴嘴水壓條件下試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間分布云圖及均勻性分析結(jié)果，其中VTS、NR和MVD分別為80 m/s、1/2和20 μm，紅色虛線框表示常用模型區(qū)，其范圍為600 mm≤X≤600 mm，-500 mm≤Y≤500 mm，圖16(d)給出了模型區(qū)內(nèi)液態(tài)水含量空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對值。從圖中可以看出：隨著噴嘴水壓的增大，模型區(qū)內(nèi)液態(tài)水含量空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，云霧均勻性不斷提高，同時非均勻峰值點則不斷減少，對應(yīng)的空間偏差最大絕對值則不斷減小，尤其在0.39 MPa工況下，標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對值分別小于8%和15%。由此可見，增大噴嘴水壓會提高試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間均勻性。這主要是由于針對目前結(jié)冰風(fēng)洞采用的氣液內(nèi)混式噴嘴，增大噴嘴水壓會增強噴嘴的霧化效果，提高噴霧液滴在噴嘴出口霧化錐內(nèi)的均勻性，進而提高了試驗段內(nèi)液態(tài)水含量空間均勻性[17]。

圖16 典型噴嘴水壓條件下試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間分布云圖及均勻性分析結(jié)果Fig.16 Liquid water content contour spatial distribution in test section and analytical results of uniformity under typical nozzle pressure conditions

為考察試驗段氣流速度對云霧液態(tài)水含量空間均勻性的影響，圖17給出了典型試驗段氣流速度條件下試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間分布云圖及均勻性分析結(jié)果，其中Pw、NR和MVD分別為0.39 MPa、1/2和20 μm，紅色虛線框表示模型區(qū)，圖17(d)給出了模型區(qū)內(nèi)液態(tài)水含量空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對值。從圖中可以看出，隨著試驗段氣流速度的增大，模型區(qū)液態(tài)水含量空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，同時非均勻峰值點不斷增多，對應(yīng)的空間偏差最大絕對值則不斷增大，尤其在140 m/s工況下，模型區(qū)下部將會出現(xiàn)顯著的非均勻峰值點。由此可見，增大試驗段氣流速度會減弱試驗段內(nèi)云霧均勻性。這主要由于針對3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞這種大收縮比的高亞聲速風(fēng)洞，增大試驗段氣流速度會降低試驗段內(nèi)氣流湍流度[32]，進而減弱了氣流對噴霧的摻混能力，同時會減少了噴霧在收縮段內(nèi)的混合時間，最終降低了試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間均勻性。

圖17 典型試驗段氣流速度條件下試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間分布云圖及均勻性分析結(jié)果Fig.17 Liquid water content contour spatial distribution in test section and analytical results of uniformity under typical test section velocity conditions

為考察噴嘴數(shù)量對云霧液態(tài)水含量空間均勻性的影響，圖18給出了典型噴嘴數(shù)量比條件下試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間分布云圖及均勻性分析結(jié)果，其中Pw、VTS和MVD分別為0.15 MPa、80 m/s 和20 μm，紅色虛線框表示模型區(qū)，圖18(d)給出了模型區(qū)內(nèi)液態(tài)水含量空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大絕對值。從圖中可以看出，隨著噴嘴數(shù)量的增多，模型區(qū)液態(tài)水含量空間偏差標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，同時非均勻峰值點則不斷減少，對應(yīng)的空間偏差最大絕對值則不斷減小。由此可見，增加噴嘴數(shù)量會提高試驗段內(nèi)云霧空間均勻性。

圖18 典型噴嘴數(shù)量比條件下試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間分布云圖及均勻性分析結(jié)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 結(jié)冰云霧控制包線

根據(jù)3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段云霧場品質(zhì)評估結(jié)果，圖19給出了3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段結(jié)冰云霧控制包線，圖中藍(lán)色空心點為80 m/s工況下的典型試驗點，紅色包線和綠色包線分別為該速度條件下1/2NR 和 1/1NR對應(yīng)的控制包線，同時深灰色右斜線陰影區(qū)和淺灰色左斜線陰影區(qū)分別表示適航條例25部附錄C中連續(xù)最大結(jié)冰氣象條件和間斷最大結(jié)冰氣象條件[24]。從圖中可以看出，3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段結(jié)冰云霧控制包線目前可以覆蓋大部分附錄C結(jié)冰氣象條件，但是在低液態(tài)水含量條件下，受云霧空間均勻性指標(biāo)的限制，覆蓋范圍仍存在局限。針對該包線，應(yīng)該指出的是：在1/1NR包線(綠色)中，由于冰刀存在測量極限(Ludlam 極限)，因此當(dāng)云霧液態(tài)水含量超過2.0 g/m3后，噴嘴控制參數(shù)利用LWC擬合關(guān)系(見式(8))外插得到；對于1/4 NR包線，盡管減少噴嘴數(shù)量可以減小云霧液態(tài)水含量，但是同時會降低液態(tài)水含量空間均勻性，綜合而言，該包線下邊界與1/2NR的一致，即1/2NR包線包含1/4NR包線，因此圖中并未給出。此外，試驗段氣流速度會影響云霧液態(tài)水含量，進而影響包線的縱軸覆蓋范圍，其中：隨著試驗段氣流速度的減小，云霧液態(tài)水含量增加，包線范圍增大，包線下邊界上移；而增大試驗段氣流速度則會減小云霧液態(tài)水含量，并且減小包線范圍；進一步，考慮到增大試驗段氣流速度會降低云霧空間均勻性，因此綜合而言，結(jié)冰包線的下邊界并不會隨著試驗段氣流速度的增大而下移，仍然與80 m/s工況的下邊界一致。

圖19 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段結(jié)冰云霧控制包線Fig.19 Icing cloud operating envelops of 3 m×2 m icing wind tunnel for main test section

根據(jù)文獻[5-9]，美國NASA IRT結(jié)冰風(fēng)洞同樣面臨低液態(tài)水含量結(jié)冰條件的模擬問題，為了解決該問題，該風(fēng)洞研制了低流量噴嘴(Mod1型噴嘴)，同時增加了噴霧耙擾流圓柱，進而拓展了低液態(tài)水含量結(jié)冰條件的模擬能力，降低了模擬包線下邊界，但是離完全覆蓋附錄C結(jié)冰包線仍存在一定距離。這些研究為3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞下一步性能升級改造提供了思路。

4 結(jié) 論

本文發(fā)展了結(jié)冰風(fēng)洞云霧場符合性驗證方法，開展了3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段云霧場符合性驗證試驗，主要得到以下結(jié)論：

1) 主試驗段內(nèi)液滴尺寸分布具有顯著的單峰分布特征，MVD模擬范圍近似在10～75 μm。液滴尺寸時間穩(wěn)定性和擬合關(guān)系不確定度均在±10% 范圍內(nèi)，滿足SAE ARP5905指標(biāo)要求。

2) 試驗段中心處液態(tài)水含量隨著噴嘴水壓和MVD的增大而增大，同時近似與試驗段氣流速度成反比，而與噴嘴數(shù)量成正比。液態(tài)水含量時間穩(wěn)定性和擬合關(guān)系不確定度均在±20%范圍內(nèi)，滿足SAE ARP5905指標(biāo)要求。

3) 增大噴嘴水壓和噴嘴數(shù)量會提高試驗段內(nèi)云霧液態(tài)水含量空間均勻性，但是增大氣流速度卻會減弱試驗段內(nèi)云霧空間均勻性。

4) 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞主試驗段結(jié)冰云霧控制包線可以覆蓋大部分適航條例25部附錄C結(jié)冰氣象條件，但是對低液態(tài)水含量結(jié)冰條件的模擬仍存在局限。

3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞于2019年圓滿完成了C919飛機機翼結(jié)冰適航取證試驗和C919飛機機翼防冰系統(tǒng)適航驗證試驗，試驗時歐洲航空安全局和中國民航上海適航審定中心審查代表現(xiàn)場目擊了試驗過程，對試驗結(jié)果給出了高度肯定，同時審查代表全面考察了3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞云霧場校測方法和評估結(jié)果，認(rèn)可了目前結(jié)冰風(fēng)洞云霧模擬能力。

下一步，3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞將圍繞高液態(tài)水含量測量問題和低液態(tài)水含量云霧模擬問題，開展風(fēng)洞能力升級改造。此外，針對適航條例25部附錄O過冷大水滴結(jié)冰氣象條件，目前采用的試驗標(biāo)準(zhǔn)、試驗設(shè)備和試驗方法均存在缺陷，因此發(fā)展適用于過冷大水滴結(jié)冰條件的云霧符合性驗證方法將會是結(jié)冰風(fēng)洞未來研究的重點。

致 謝

感謝程堯工程師在結(jié)冰風(fēng)洞云霧場參數(shù)測試中開展的研究工作，該工作支撐了3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞適航應(yīng)用符合性認(rèn)證。