結冰風洞及其云霧環境模擬系統淺述

白鵬博

（中國航空規劃設計研究總院有限公司 北京 100120）

摘 要：結冰風洞是飛行器結冰和防冰研究的主要地面試驗設備。本文結合相關試驗標準對結冰風洞的主要試驗指標進行了分析闡述，并介紹了結冰風洞所需的配套設備；對結冰風洞中云霧環境模擬系統進行了初步設計；為結冰風洞及其配套設備的設計提供參考。

關鍵詞：結冰風洞、云霧模擬；

引言

飛行器在大氣中飛行時，可能會遇到到過冷水滴、冰晶等云霧環境，飛行器在此類云霧環境中可能在表面結冰，并逐漸堆積。飛行器結冰會影響到關鍵部件如機翼、尾翼前緣、發動機進氣道、空速管等設備的正常工作，給飛行器帶來嚴重安全隱患。因此中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準（CCAR-25-R3）以及GJB241-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》等對飛行器及發動機的結冰試驗提出了明確要求。

飛行器結冰研究試驗手段可以分為飛行試驗和地面試驗。飛行試驗包括自然結冰條件下的飛行試驗、人工模擬結冰條件下的飛行試驗和帶冰模的飛行試驗。地面試驗主要指在結冰風洞中開展的試驗。與其他試驗方法相比，結冰風洞試驗具有經濟、實用、先行、安全的突出優點，除與常規風洞類似對流場的要求外，結冰風洞中還對試驗段云霧特性提出特殊的要求。

1 典型結冰風洞

世界范圍內結冰風洞大約有20多座，其中最具有代表意義的是意大利航天研究中心（CIRA）結冰風洞。該風洞建成于2002年，共有四個試驗段：風洞主試驗段截面2.25m×2.35m（寬×高），最大Ma數0.4，最低溫度-32℃；第2試驗段截面1.15m×2.35m（寬×高），最大Ma數0.7，最低溫度-40℃；第3試驗段截面3.60m×2.35m（寬×高），最大M數0.25，最低溫度-32℃；開口試驗段截面2.25m×2.35m（寬×高），最大Ma數小于0.4。風洞模擬高度7000m，平均水滴直徑5～300μm。風洞具有發動機進氣道模擬系統，流量范圍1.5～55kg/s。試驗段壁面透光率達到80%，便于結冰試驗觀察。該風洞的氣動輪廓圖如下所示：

CIRA的結冰風洞試驗速度范圍寬，雷諾數范圍大，既可以滿足結冰試驗研究外，又可以進行常規氣動試驗，使該風洞具有很強的綜合試驗能力。

2結冰風洞主要參數

結冰風洞主要用于模擬飛行器在大氣中飛行時遇到的積冰環境，因此結冰風洞的主要參數包括以下幾項：

1.試驗段尺寸：試驗段尺寸根據被試件確定；大型結冰風洞試驗段尺寸在3m量級，可對機翼模型、機身模型等進行結冰試驗，如CIRA的結冰風洞、中國空氣動力研究與發展中心的結冰風洞等；小型結冰風洞試驗段尺寸一般在500mm左右量級，可對飛行器空速管等設備進行結冰試驗，如BFGoodrich的結冰風洞；

2.試驗段最大風速：結冰風洞多為亞音速風洞，最大風速大部分在200m/s左右，如中國空氣動力研究與發展中心的3m風洞最大風速為210m/s、CIRA最大Ma數為0.7；BFGoodrich冰風洞最大風速約為100m/s；

3.試驗段氣流溫度：根據適航標準規定，結冰試驗氣流最低溫度為-30℃，一般結冰風洞可實現-35℃甚至達到-40℃；

4.高度模擬：根據適航標準及大氣環境研究，一般結冰環境存在的高度為7000m，因此結冰風洞一般具備模擬7000m海拔高度的能力；

5.云霧參數：根據適航標準給定，飛行器結冰試驗的液態水含量范圍是0.2～2.8g/m3，液滴平均粒徑為15～50μm。

3結冰風洞主要配套設備

根據第二節中介紹的結冰風洞主要參數，可以確定結冰風洞所需的配套設備：

1.風洞洞體：風洞洞體是構成結冰風洞的主體部分，承載了風洞氣動設計，是滿足風洞氣動參數需求的關鍵因素。考慮到結冰風洞的特殊運行工況，在風洞洞體設計中需采用保溫和防腐措施，對洞體采取防/除冰措施；洞體殼體可采用耐低溫鋼材；在試驗段等水霧較多的部位可采用304不銹鋼。

2.風機系統：由于氣流與洞體壁面的摩擦損失、在擴散段內的流動損失、經過模型時的損失等原因，氣體壓力和能量會隨之降低，為保持試驗段氣流的流速，就需要部段補充能量。風機系統的作用是為風洞提供運行的動力，驅動氣流以穩定的狀態在洞體內持續流動，它是風洞的關鍵部件，直接關系到風洞能否達到設計的試驗風速。

3.制冷系統：由于結冰風洞內空氣最低溫度可達-40℃，因此必須配置制冷系統。制冷機組可采用復疊式制冷機組，滿足不同試驗溫度的需求；制冷系統可采用制冷機組結合載冷劑系統的方式，滿足風洞關于溫度控制的需求。

4.抽真空系統：抽真空系統的作用主要包含兩個方面，一是為模擬高空低壓環境，使得試驗段環境達到高海拔低壓低密度的要求，二是在風洞準備過程的“換氣”處理中將風洞內部的空氣抽出。真空泵是抽真空系統中的關鍵設備，可選用螺桿式真空泵或水環真空泵滿足結冰風洞對低壓環境的需求。

5.冰云模擬系統：冰云模擬系統是冰風洞的關鍵設備之一，該系統主要通過兩相流噴嘴在冰風洞中重現飛行器的結冰云霧環境；冰云模擬系統中包括水、氣處理設備，滿足結冰風洞中結冰試驗對水品質、壓縮空氣潔凈度的需求；

6測控系統：測量控制系統用于風洞運行控制、風洞試驗結果測量和風洞性能測定，是風洞試驗系統的重要組成部分，其主要任務是將風洞總壓、靜壓、總溫及風洞沿程運行壓力、模型數據等物理量轉化成電壓或電流信號，再通過數據采集系統逐個采樣量化成數字信號進入計算機進行處理。

4云霧環境模擬系統淺述

根據中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準（CCAR-25-R3）中對云霧參數的規定：飛行器結冰試驗的液態水含量范圍是0.2～2.8g/m3，液滴平均粒徑為15～50μm。調研市場噴霧產品，可選擇空氣助力霧化噴嘴實現上述液態水含量以及液滴平直直徑的要求。

空氣助力霧化噴嘴的示意圖如下。在噴嘴內部，從液相噴孔中噴出的液體在高速氣流的沖擊下發生破碎，形成氣液摻混的形態，該類型的噴嘴霧化效果非常好，即便是粘度比較高的液體，也可以獲得很好的霧化，可以滿足結冰風洞中對于云霧系統平均水滴直徑的需求。

空氣助力霧化噴嘴是滿足結冰風洞對于云霧環境模擬系統平均水滴直徑的關鍵設備，與之對應，云霧環境模擬系統需要配置壓力、流量、溫度可調的供水、供氣系統。云霧環境模擬系統的供水、供氣原理圖示如下：

供水系統主要由水處理設備、穩壓罐、換熱器、水泵、壓力傳感器、流量計、溫度傳感器、電動調節閥等組成。供水系統通過穩壓罐、水泵以及電動調節閥、傳感器等測量控制供水壓力及流量；通過換熱器控制供水溫度。供氣系統主要由空壓機、壓縮空氣罐、換熱器、電動調節閥以及壓力傳感器、溫度傳感器等組成。供氣系統通過穩壓罐、電動調節閥、壓力傳感器等測量控制供氣壓力；通過換熱器控制供氣溫度。

5結束語

本文對結冰風洞的主要參數進行了淺述，并討論了滿足各項指標所需的配套設備；針對結冰風洞中的云霧環境模擬系統，探討了一種供水、供氣系統設計方案，可供結冰風洞的設計進行參考。

參考文獻：

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