結冰風洞試驗段云霧粒徑測量與控制實驗研究

郭 龍, 程 堯, 王梓旭

(1. 西北工業大學, 西安 710072; 2. 中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

結冰風洞是開展飛機結冰及其防護試驗研究的重要地面設備。其主要通過制冷、高度模擬、噴霧等子系統的運行，在試驗段形成低溫、負壓的過冷均勻水霧，從而模擬飛行器穿越云層時所遭遇的真實結冰云霧環境，以評估飛行器在該環境下的結冰特性或驗證所設計防除冰系統的有效性。云霧粒徑是表征云霧顆粒尺度的主要參數，對飛行器結冰的區域和結冰形狀影響較大，是影響飛機結冰的關鍵因素之一，對其準確測量與控制是結冰風洞中開展飛行器結冰和防除冰試驗的重要前提。

通常，表征液滴尺寸的直徑概念有多種[1]，如算數平均直徑(D10)、面積平均直徑(D20)、體積平均直徑(D50，Median Volume Diameter，MVD)、Sauter平均直徑(D32)等。結冰風洞中的云霧粒徑通常使用MVD來表示[2-4]，又稱DV0.5，其內涵為大于該直徑的液滴總體積(質量)與小于該直徑的液滴總體積(質量)，各占噴霧總體積(質量)的50%。

國內外結冰風洞中測量MVD的主要設備有FSSP(Forward Scattering Spectrometer Probe，前向散射分光測量儀)、OAP(Optical Array Probe，光學陣列測量儀)、PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer，相位多普勒粒子分析儀)、ADA(Airborne Droplet Analyzer Probe，機載液滴分析儀)和Malvern測量儀等[5]。Robert F. Ide, Judith F. Van Zante等[6-8]在美國IRT結冰風洞中利用FSSP、OAP、CDP(Cloud Droplet Probe，云霧液滴探針)等儀器對該風洞的云霧MVD進行了測量，獲得了風洞粒徑的有效范圍，評估了粒徑測量的誤差，從工程上解決了風洞的試驗粒徑控制問題。L. Imperato，Esposito B. M等[9-11]在意大利IWT結冰風洞中利用PDPA、OAP、ADA等設備對該風洞的云霧MVD進行了測量，結合實驗室的研究結果給出了風洞中MVD的擬合曲線，為風洞運行提供了一定的依據。國內由于長期缺少大型結冰風洞，對MVD的測量與控制研究大多是在測試臺或小型結冰風洞中完成的。易賢等[12]提出了采用數值計算和小型結冰風洞實驗相結合的手段標定結冰風洞水滴直徑的方法。符澄等[13-14]在0.3m×0.2m結冰風洞和低壓噴霧試驗臺上，對內混式空氣霧化噴嘴的霧化特性進行了測試,獲得了水滴蒸發率、雷諾數、流量等參數對噴嘴霧化特性的影響。

本文在前期研究的基礎上，結合噴嘴測試臺和小型結冰風洞云霧粒徑測量與控制實踐，采用新型測量儀器對3m×2m結冰風洞不同條件下的云霧粒徑進行了測量與控制，內容涵蓋數據處理方法、誤差分析、試驗參數影響等，系統開展了大型結冰風洞試驗段云霧粒徑測量與控制研究。

結冰風洞在開展試驗之前，往往需要進行大量的包含粒徑校測在內的云霧參數測量工作，以確保試驗參數的準確性，工作量非常大，特別是對于大型結冰風洞，其經濟成本和時間成本都相當大。本文研究的重要目的之一就是要對結冰風洞的測量誤差進行分析，對參數影響大小進行研究和分析，以期優化粒徑校測的內容、大幅降低校測和試驗的成本與周期。

1 實驗設備與方法

1.1 風洞

3m×2m結冰風洞是閉口、回流式風洞，具有3個可更換的試驗段。與常規風洞不同，結冰風洞上游有蒸發器和噴霧模塊，并輔助有制冷系統、噴霧系統、高度模擬系統、加濕系統、發動機進氣模擬系統、防/除冰系統等子系統。

圖1 結冰風洞輪廓圖

1.2 測量儀器及原理

使用美國Artium公司生產的PDI-FP(相位多普勒飛行探頭系統)進行測量。系統工作原理(見圖2)是采用激光器作為光源，將顆粒看作1個微小的透鏡，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，即顆粒的粒徑大小；通過頻率變化反映其運動速度的大小。在液滴體積中干涉條紋間距的計算是由焦距決定的。這個儀器可以在飛行器上直接安裝或者在風洞的應用環境下對單個液滴顆粒的粒徑大小和速度值進行實時、無接觸的測量。激光器形式為二極管泵浦固體激光器(DPSS)，粒徑測量范圍0.5～1000μm，測量精度±0.5μm。系統自帶加熱功能，可在低溫結冰環境下進行測量而不會造成信號損失。

圖2 PDI-FP測量原理圖

1.3 試驗方法及數據處理

測量試驗的條件為：風速為67和105m/s;溫度為-11℃～常溫;環境壓力為96～54kPa;噴霧系統水壓為0.1～0.5MPa;噴霧系統氣壓為0.1～0.5MPa。

試驗中，使用支撐架將PDI-FP安裝于風洞中心，測試區域距風洞下洞壁1.0m(見圖3)。試驗步驟為：穩風速運行風洞，根據需要運行高度模擬系統，同時調節控制風洞的風速和壓力；待風速和壓力穩定后，啟動制冷系統，等待降溫；溫度達到試驗條件后，按預先標定的云霧模擬水壓、氣壓組合開啟噴霧系統；噴霧穩定后，記錄粒徑數據，變換水壓、氣壓組合，云霧穩定后測量并記錄下一狀態。為了保證數據測量的可靠性，PDI-FP測量時樣本粒子數大于20 000個，采樣時間12s。

圖3 安裝于風洞中的PDI-FP

MVD與噴霧系統的水壓和氣壓直接相關，且有

MVD=f(pair,pwater)

(1)

式中：pair和pwater分別是噴霧系統的氣壓和水壓。不同的噴嘴結構，其函數關系不盡相同。本文根據3m×2m結冰風洞的測試結果，使用了如下的擬合公式：

MVD=ax4+bx3+cx2+dx+e

(2)

式中：x為噴霧系統氣壓，單次測試中水壓為定值。a、b、c、d、e等系數根據試驗結果擬合獲得。不同水壓下的典型系數結果如表1所示。

表1 典型系數結果Table 1 Typical coefficients

2 實驗結果與分析

2.1 試驗結果的可靠性分析

在不同的粒徑條件下，保持水氣壓力不變，使用PDI-FP進行多次重復測量，得到不同時刻的MVD值，其結果可有效地評估儀器的測試精度。表2給出了在3種粒徑條件下，通過5次重復測量得到的不同時刻的MVD值。使用統計中均方差的概念來表征數據的離散程度，測試結果表明，所測粒徑范圍內，多次測量最大均方差為0.42μm，與平均值的相對偏差最大為1.3%。

圖4(a)給出了試驗測量結果與擬合結果的對比情況，其中擬合結果采用1.3節的擬合公式得到，同時給出了1∶1線和±10%線。從結果看，所有試驗結果均可擬合在±10%誤差帶內，滿足SAE ARP5905[15]規定的結冰風洞云霧粒徑測量標準。圖4(b)給出了文獻[16]中計算與擬合的對比結果。與文獻結果相比，本文結果無論在小粒徑區還是大粒徑區，偏差均較小。

其次，生產條件得天獨厚。現代化、機械化、專業化是美國農業最主要的特點。不同于中國的小農經濟，美國的農戶通常都擁有一大片耕地，再加上美國平原面積廣闊，機械化可以在這里得到最大利用，播種方便，收割也方便，只需要耗費較少的勞動力。這也是一個美國人可頂中國236個勞動力的原因所在。

表2 PDI-FP重復性測試結果Table 2 Repeatability of PDI-FP

(a) 本文結果

(b) 文獻結果

2.2 噴霧系統水、氣壓力影響

圖5給出了V=67m/s、Ts=-0.1℃云霧粒徑MVD受結冰風洞噴霧系統水、氣壓力影響的情況。

圖5 水、氣壓力對MVD的影響

從結果看，pwater=0.2MPa時，氣壓從0.13MPa逐漸提高后，MVD隨之減小，當氣壓達到0.26MPa時，MVD達到16.23μm的最小值；氣壓繼續增大，噴霧系統無法噴出水霧。產生此現象的原因是由于氣壓增大后，噴嘴內腔中的氣液比(Air Liquid Ratio，ALR)隨之增大，從霧化機理上講，ALR越大，氣液兩相的相互作用就越劇烈，液霧的霧化效果自然越好。但當ALR大到一定程度時，噴嘴內腔的空氣完全抑制住了水的壓力，導致無法形成較好的水霧。整個變化過程中MVD呈先快后慢的趨勢，其它水壓下亦呈現此規律。這表明，在噴嘴結構確定的情況下，風洞云霧的小粒徑范圍主要受噴霧系統氣壓的影響。另一方面，噴霧系統氣壓不變情況下，MVD隨水壓的增大而增大，這同樣表明，在噴嘴結構確定的情況下，風洞云霧的大粒徑范圍受噴霧系統水壓的影響較大。

需要說明的是，MVD受水壓和氣壓的影響很大，且對壓力波動也很敏感，因此在結冰風洞噴霧系統水、氣壓力的運行控制中，要盡可能地提高壓力控制精度，以減少噴霧系統帶來的系統誤差。

2.3 風速影響

在結冰風洞的低溫環境下，液滴直徑的變化主要受液滴自身的蒸發和粒子間的相互碰撞作用的影響。根據蒸發理論，全液相區域內的液滴與空氣間的對流傳熱導致液滴的溫度下降和直徑減小。而不同初始速度的液滴在運動過程中由于噴嘴噴霧錐角的存在而發生碰撞，造成液滴的相互融合和破碎飛濺。對于3m×2m結冰風洞，其小水滴噴嘴產生的云霧粒徑大多都在70μm以下，液滴相對變形較小，不易發生破碎；而液滴相互碰撞融合會使得云霧粒徑變大。

圖6給出了Ts=-0.1℃、pwater=0.2MPa，風速分別為67和105m/s時的MVD隨噴霧系統氣壓變化曲線。從圖上看，來流風速對試驗段云霧粒徑的影響不大，V=67和105m/s條件下，MVD在13～50μm范圍內，粒徑最大變化量為2.4μm。

圖6 不同風速下的MVD變化曲線

表3給出了相應的誤差分析結果。從結果看，不同風速下，MVD的最大均方差1.7μm，與平均值的相對偏差最大為6.4%，在±10%的測量誤差范圍內。

表3 風速影響的誤差分析Table 3 Error analysis of different airspeeds

從理論上分析，液滴蒸發方面，由于小液滴的跟隨性較好，液滴在很短的距離內，其運動速度就與氣流速度一致[17]，不同速度的液滴蒸發特性差別不大；液滴碰撞方面，噴嘴間液滴碰撞特性主要受噴嘴間距和液滴初始法向速度決定的，而改變來流風速，僅僅是影響了液滴的軸向速度(平行于氣流方向)，因此，風速對液滴的碰撞特性影響也不大。

2.4 氣流溫度影響

圖7給出了V=67m/s、pwater=0.2MPa時不同氣流溫度下的MVD隨噴霧系統氣壓變化曲線。從結果看，不同溫度條件對試驗段云霧粒徑的影響較小。試驗段靜溫分別為25.6℃、-0.1℃和-11.2℃條件下，MVD在13～50μm范圍內。

表3給出了詳細的誤差分析。MVD1、MVD2和MVD3相應的試驗段靜溫分別為25.6℃、-0.1℃和-11.2℃。從表中可以看出，在測試條件下，粒徑的最大均方差為2.63μm，與平均值的相對偏差最大為6.3%，在±10%的測量誤差范圍內。與2.3節的分析相似，不同氣流溫度對液滴的碰撞特性影響較小；而液滴的蒸發特性，由于結冰風洞在噴霧穩定后，穩定段及試驗段的空氣相對濕度均為100%，達到飽和狀態，因此氣流溫度對液滴的蒸發影響較小，粒徑變化也就不明顯；因此，氣流溫度對云霧粒徑的影響也不大。

表4 溫度影響的誤差分析Table 4 Error analysis of different static air temperatures

2.5 環境壓力影響

圖8 環境壓力對MVD的影響曲線

3 結 論

在3m×2m結冰風洞中，采用相位多普勒飛行探頭系統對試驗段云霧粒徑進行了測量與控制研究，重點分析了壓力、風速、溫度等參數對MVD的影響，研究結果表明：

(1) PDI-FP測量結冰風洞試驗段云霧粒徑的精準度高，在測試樣本范圍內，多次測量的最大均方差為0.42μm，試驗結果與擬合結果的偏差在±10%以內。

(2) 在本文測試條件下，噴霧系統水壓和氣壓對MVD的影響很大，且MVD對壓力波動較為敏感；MVD受風速和溫度影響較小，最大相對偏差均在±10%的測量誤差范圍內。

(3) 在本文測試條件下，MVD受環境壓力變化較大，96和54kPa條件下MVD變化達到9.1μm，在模擬高度的結冰試驗中需考慮此影響。

(4) 本文采用的測量方法以及獲得的研究結果，可對國內其它風洞機構的云霧參數校測工作提供參考。

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