噴霧系統特性的實驗研究

趙斌 白鵬博

摘 要：風洞結冰試驗是研究飛行器結冰現象和防/除冰裝置性能的重要試驗項目，噴霧系統是風洞開展結冰試驗的核心設備。本文以冰云試驗所使用的噴霧系統為研究對象，搭建了模擬實驗臺開展研究。應用激光多普勒測霧儀進行云霧粒徑測量，通過不同供水壓力、供氣壓力、氣流速度條件下的組合實驗，實現了冰云試驗所需的云霧粒徑（10μm～50μm），研究了噴霧粒徑與各項參數的影響關系。結果表明：水壓、氣壓對噴霧參數的影響顯著，液滴平均直徑MVD隨供氣壓力的增加而減小。

關鍵詞：結冰風洞;噴霧系統;實驗研究;云霧參數

引言

風洞結冰試驗可用于研究飛行器結冰現象和防/除冰裝置性能。結冰風洞設備一般由洞體構件形成回流式風道，通過動力系統、制冷系統、壓力調節系統在試驗段形成指定的飛行環境條件，噴霧系統在試驗段模擬云霧環境條件。云霧環境參數中液態水含量、平均水滴直徑是最為重要的參數，而這些參數的調節依賴于噴霧系統，因此噴霧系統的設計對于結冰風洞來說很關鍵。國外開展結冰風洞試驗研究較早，美國NASA格林研究中心結冰風洞（IRT）、意大利航天研究中心結冰風洞、美國LeClerc結冰實驗室的Cox結冰風洞均是世界著名的結冰風洞。中國空氣動力研究與發展中心CARDC也建設了一座3m×2m量級的亞聲速結冰風洞。近年來結冰噴霧方向的研究呈增長趨勢，中國空氣動力研究與發展中心的易賢[1]等對結冰風洞水滴直徑及水滴結冰分布進行了研究，符澄[2]等對結冰風洞環境下的噴嘴霧化特性進行了研究，陳旦[3]等對于噴霧系統的的控制策略進行了研究。

本文通過搭建噴霧系統實驗臺，對噴霧系統的云霧參數影響因素進行了研究，重點研究了氣壓、水壓、風速對云霧參數的影響。

1.實驗臺組成

噴霧系統由以下幾部分組成：風源設備、供水系統、供氣系統、噴霧耙、測量系統。

風源設備如圖1所示，包含了動力源風機、風道等，可實現不同的風速要求。

動力源風機最大風量40m?/s，可實現出口最大風速40m/s，風機后接圓變方轉接段、穩定段，穩定段內安裝蜂窩器、阻尼網以及噴霧耙，穩定段截面尺寸為1600mm×1600mm;試驗段尺寸為500mm×500mm，通過收縮段實現穩定段到試驗段的平滑過渡。

供水系統和供氣系統原理圖如圖2所示：

供水系統主要由穩壓罐、調節閥（包括粗調和精調）、流量計、微型電磁閥等設備組成。供水方式采用壓力供水，穩壓罐與空壓機相連，實現穩壓罐內水壓恒定的目的。供水主管路上設置調節閥，實現對水壓的粗調節，每個噴霧耙供水入口處設置調節閥，實現噴嘴供水壓力的精確調節。通過調節閥、壓力表以及流量計，供水系統實現噴嘴供水壓力、流量的調節。

供水系統設置回水管路，即供水管路在噴霧耙內穿過后到達噴霧耙外，在回水管路上設置調節閥和壓力表，實現供水管路的背壓調節，該路用于研究不同水壓控制方式對于壓力穩定時間的影響。

供氣系統由空壓機、調節閥（包括粗調和精調）、流量計以及相應管道設備組成。供氣系統在主管路和支路上分別設置粗調節閥門和精調閥門，實現噴嘴供氣壓力的精確調節。

噴霧耙設計為NACA0024翼型。內部設置供氣管道、供水管道、信號線管道、微型電磁閥。噴霧耙內的供水管道在每個噴嘴前設置一個微型電磁閥，實現對單個噴嘴啟閉的控制。

水、氣的壓力參數通過量程0.1～1.0MPa的高精度壓力傳感器測量，流量參數通過電磁流量計測量。

測霧儀采用美國Artium公司TK1系列測霧儀，該系列測霧儀測量粒徑范圍為1.5～300μm，可以滿足噴霧系統試驗測量需求。

2.實驗內容和方法

噴霧系統實驗臺實驗對象為冰云模擬試驗所用的DS988系列噴嘴，分別進行風速20m/s、30m/s、40m/s三種風速工況試驗，每種風速工況試驗下供水壓力1～5bar、供氣壓力0.5～7bar，有選擇的對不同水壓、氣壓進行試驗。

在實驗過程中，通過調節供水管路以及供氣管路中設置的粗調節閥及精調節閥，實現對供水壓力和供氣壓力的精確調節。實驗過程如下：

a）儲水罐注水;

b）連接測霧儀，檢查測霧儀連接是否完好;

c）連接壓縮空氣，打開空壓機，使壓縮空氣緩沖罐及儲水罐壓力達到預定值;

d）開啟風機，采用熱線風速儀測量噴口風速，調節點擊頻率至噴口風速達到預定值;

e）打開供水系統以及供氣系統，通過調節閥調節供水壓力、供氣壓力至設定值;

f）待風速、水壓、氣壓均達到穩定狀態后，在試驗區的采用測霧儀測量云霧場并記錄相應數據。

3.實驗結果

3.1 液滴平均粒子直徑的定義

噴霧液滴的尺寸分布函數較為復雜，為方便起見，許多關于噴霧的研究都僅采用液滴的平均直徑。

對于本文研究的冰云模擬試驗，以往的研究表明體積平均直徑D30是主要影響因素。體積平均直徑的定義如下：

3.2 結果參數

本文對冰云模擬試驗用噴嘴進行了三種風速工況下，不同供水壓力、供氣壓力狀態時云霧場參數的測量。所有狀態下云霧場液滴平均粒徑如表1所示：

可以看出，本文實驗所用噴頭實現的最小液滴平均直徑為7.4μm（風速40m/s，供水壓力5bar、供氣壓力6bar），最大液滴平均直徑為63.8μm（風速20m/s，供水壓力5bar、供氣壓力1bar）。測試結果覆蓋了結冰風洞冰云試驗中液滴平均直徑10μm～50μm的要求。

4.結論

本文針對結冰風洞冰云模擬試驗所使用的噴霧系統搭建了實驗臺，采用激光多普勒測試儀研究了所用噴嘴的云霧參數特性，結果表明：

（1）本文所采用的實驗系統基本實現了冰風洞中冰云模擬平均液滴直徑10μm～50μm的要求。

（2）在相同供水壓力條件下，風速越高，供氣壓力越高，液滴直徑越小。

（3）在進行小液滴直徑試驗中，可適當提高供氣壓力實現液滴平均直徑的降低。反之需要進行液滴直徑較大的冰云試驗時，可適當降低供氣壓力，實現液滴平均直徑的增大。

參考文獻

[1] 易賢，桂業偉，肖春華，黃志祥.結冰風洞液態水含量測量方法研究[J].科技導報，2009，27（21）：86-90.

[2] 符澄，彭強，張海洋，王超，吳盛豪.結冰風洞環境對噴嘴霧化特性的影響初步研究[J].實驗流體力學，2015，29（03）：30-34.

[3] 陳旦，李樹成，張永雙，蓋文，黃威凱.某結冰風洞噴霧水壓控制系統設計[J].計算機測量與控制，2017，25（09）：68-71.