大型噴灑塔云霧參數標定方法研究

李開成，金坤健，易 暉，梁建海

(中國直升機設計研究所， 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

?

大型噴灑塔云霧參數標定方法研究

李開成，金坤健，易 暉，梁建海

(中國直升機設計研究所， 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

簡要介紹了大型噴灑塔的功能組成，介紹了噴灑塔云霧參數標定的目的，給出了云霧參數標定方法，制定了標定流程，最后給出了部分標定結果，并對結果進行了分析,提出了建議。

噴灑塔；云霧參數；標定

0 引言

噴灑塔地處哈爾濱，利用冬季低溫氣象條件，進行噴霧模擬自然界結冰云霧環(huán)境。噴灑塔由噴霧系統(tǒng)、云霧控制系統(tǒng)、臺架、風機陣、水氣處理系統(tǒng)、柴發(fā)系統(tǒng)和云霧測量系統(tǒng)等組成,噴灑塔系統(tǒng)框圖如圖1所示。噴霧系統(tǒng)由噴霧框上大量噴嘴組成陣列。云霧控制系統(tǒng)對噴嘴的水氣壓力進行控制。臺架對噴霧系統(tǒng)和風機陣進行支撐，并可以旋轉滿足風向要求。風機陣通過變化不同的風機陣頻率提供不同的風速，對云霧進行輸送。水氣處理系統(tǒng)提供噴嘴所需的高純水和高壓氣體。柴發(fā)系統(tǒng)提供電力。云霧測量系統(tǒng)用于標定云霧參數平均霧滴直徑、液態(tài)水含量和云霧均勻性。噴灑塔可以完成直升機整機地面狀態(tài)下結冰試驗、防除冰試驗和懸停狀態(tài)下防除冰試驗。噴灑塔噴霧框中心高度最高可達35m。

云霧參數包括平均液滴直徑(MVD)、液態(tài)水含量(LWC)和云霧均勻性三個指標。云霧參數既是噴灑塔設計指標符合性的最終判據，也是防除冰試驗最重要的參數，因此云霧參數標定尤為重要。

1 噴灑塔云霧參數標定目的

噴灑塔處在外界環(huán)境中，受外界環(huán)境干擾較大，尤其需要考慮外界風的干擾。云霧參數標定既需要考慮風機陣頻率變化導致風速變化對MVD、LWC的影響，也需要考慮到噴霧系統(tǒng)水氣壓力變化對MVD、LWC的影響。噴灑塔云霧參數標定目的如下：

1) 在相同風機陣頻率下，變化噴嘴水氣壓力，得出噴嘴水氣壓力、風速和MVD、LWC的對應關系；

2) 在相同噴嘴水氣壓力下，變化不同的風機陣頻率，得出風機陣頻率和LWC、MVD的對應關系；

3) 根據風機陣頻率和噴嘴水氣壓力組合得出任務書要求的云霧參數狀態(tài)點；

4) 在距離噴灑塔不同截面處，放置均勻性標定格柵，得出云霧均勻性。

圖1 噴灑塔系統(tǒng)框圖

2 噴灑塔云霧參數標定方法

參考意大利CIR冰風洞[1]和SAE-ARP5905[2]冰風洞標定，結合噴灑塔實際環(huán)境，本次云霧參數標定采用查表法，標定出噴嘴水氣壓力、風速和MVD、LWC對應關系表。根據試驗所需的MVD、LWC，對噴嘴水氣壓力進行組合，變化不同的風機陣頻率，記錄噴嘴水氣壓力、風機陣頻率和MVD、LWC，形成關系表。試驗時選取合適的大氣條件(保證噴霧方向與自然風向一致，自然風速較小)，根據MVD、LWC，查表輸入噴嘴水氣壓力和風機陣頻率。

2.1 噴嘴水氣溫度標定方法

噴嘴水溫和氣溫溫度太高會導致云霧到達直升機不能結冰，溫度太低會導致云霧沒有到達直升機之前提前結冰。噴嘴水溫和氣溫組合決定了結冰質量。結冰到達物體上分為三種情況[3]：1)霜冰，這種冰發(fā)生于溫度較低情況，由水滴與物面碰撞之后立即凍結而成；2)明冰，這種冰發(fā)生于溫度相對較高的情況，是由于碰撞以及相變放出的熱量使得水滴只有部分會在碰撞點凍結，未凍結的液態(tài)水沿物體表面溢流并逐漸凍結而形成；3)混合冰，由以上兩種冰混合組成。根據外界大氣溫度，利用圓柱放置在直升機槳轂中心所在的云霧中的擺放位置處，設置不同的水氣溫度，觀察結冰質量，得出霜冰狀態(tài)下的水氣溫度組合。

2.2 MVD、LWC標定方法

本次云霧參數標定設備采用的是Artiμm公司的PDI云霧參數測試設備[4]。儀器設備放置在任務書要求的離噴灑塔20m距離處，距離地面9.5m高(噴灑塔噴霧框中心距離地面10m，考慮到了云霧有一定沉降效應)，在噴灑塔噴霧框水平方向中心。同時考慮到懸停的直升機在云霧的安全性，可能直升機會距離噴灑塔適當遠一些，在距離噴灑塔30m位置處也進行了云霧參數標定。均勻性標定采用格柵進行標定，要求放置在離噴灑塔20m距離處。下面闡述PDI云霧參數測試設備測量原理，該設備采用激光多普勒效應進行測量。MVD通過粒子大小統(tǒng)計分布得出，LWC通過粒子速度得出粒子濃度，結合粒子大小統(tǒng)計得出液態(tài)水含量。

粒子速度測量：

其中，v為粒子速度，fd為多普勒頻率，δ為光譜間距。

其中，λ為激光束波長，γ為相交兩激光束夾角。

粒子大小測量：

其中，F為接收器焦距，δ為光譜間距，s為粒子大小斜率因子，Δ為空間波長。

其中，tN為粒子總數，nc(i)為第i個粒子大小的粒子數目。

其中，fN為第i個粒子大小數目占總粒子數的比例。

其中，tV為粒子總體積大小。

其中，fV為第i個粒子大小體積占總體積的比例。

MVD為dv0.5，也就是前面粒子體積比例總和達到總體積比例0.5時的粒子大小。

液態(tài)水含量：

其中，D30為所有粒子體積均值。

其中，ρ為水滴密度。

2.3 云霧均勻性標定方法

云霧均勻性標定采用格柵進行結冰測量。格柵放置離噴灑塔20m或30m距離處。一個格柵尺寸為4m×4m，均勻性標定時3個格柵并排放置，形成總的格柵尺寸4m×12m。一個格柵間隔分為12行，12列。標定前測量格柵原始尺寸，結冰后測量相同點的結冰后的厚度，進而得出實際結冰厚度。

云霧均勻性標定測量示意圖如圖2所示。

云霧均勻性計算如式(12)所示。

其中，τice為相對格柵中心點歸一化處理結冰厚度，τ(x,y)為(x,y)處格柵網格結冰后厚度，τgrid為格柵網格沒結冰前厚度，τc為整個格柵中心點結冰后厚度。LWC(x,y)為(x,y)處液態(tài)水含量，LWCc為格柵中心點處液態(tài)水含量。

圖2 云霧均勻性標定示意圖

格柵網格交點結冰厚度按照下面公式計算。其中V2、H2、V3和H3為交點四周格柵網格邊中點結冰厚度。格柵網格交點結冰厚度根據其所處格柵位置確定。

根據歸一化后不同位置的結冰厚度，繪制結冰均勻性云圖。公式(13)適用于格柵中心處，公式(14)和公式(15)適用于格柵邊框處。

3 云霧參數標定流程和部分結果

3.1 云霧參數標定流程

1) 根據風向，旋轉塔架，使噴霧方向順著風向；

2) 將云霧標定設備放置在距離噴霧框中心20m或30m距離處，升到9.5m高度；

3) 標定出風機陣不同頻率變化對應云霧標定設備處的風速變化，作為參考；

4) 記錄當時大氣環(huán)境參數，包括大氣溫度、風向和自然風速，根據當時環(huán)境溫度調整水氣溫度，使之滿足結冰要求；

5) 參照單個噴嘴標定數據，初步給出噴霧水氣壓力組合表。標定時根據標定結果，進行實時調整，得出要求狀態(tài)點的MVD對應的水氣壓力組合；

6) 變化不同的風機陣頻率，得出對應水氣壓力組合下不同風機陣頻率下的LWC值；

7) 根據云霧參數標定初表得出來的MVD和LWC，根據試驗書要求的MVD和LWC進行精確組合，得出試驗任務書要求的MVD和LWC對應水氣壓力值、風機陣頻率。

3.2 云霧參數標定部分結果

表1-表4給出了距離噴灑塔噴霧框20m和30m距離處MVD30μm和MVD40μm標定的部分結果。其中氣溫、水溫為噴嘴水溫、氣溫，風機陣頻率影響云霧輸送速度大小，氣壓、水壓為噴嘴水氣壓力，平均溫度為大氣環(huán)境溫度，平均風向270代表噴霧方向與自然風風向一致，平均風速為自然風速。

表1 20m處MVD30μm時云霧參數標定結果表

表2 20m處MVD40μm時云霧參數標定結果表

表3 30m處MVD30μm時云霧參數標定結果表

表4 30m處MVD40μm時云霧參數標定結果表

4 結論和建議

從標定結果可以看出，MVD只和噴嘴水氣壓力差有關，當噴嘴水氣壓力差一定時，云霧MVD值恒定。在噴嘴水氣壓差和風機陣頻率恒定的情況下，水壓越小，LWC值越小。在噴嘴水氣壓差恒定的情況下，風機陣頻率越高，對應云霧輸送速度越大，LWC值越小。在相同風機陣頻率、外界風速和水氣壓力情況下，不同距離對應的LWC值不同。距離變遠，風機陣送風的風速降低，導致云霧囤積，LWC增加；同時云霧經過一段距離后耗散變大。因此，需要綜合考慮風速變化和云霧耗散影響，以實際云霧參數標定為準。

噴灑塔云霧參數標定技術難度大，工作量巨大，耗資巨大。結合本次標定結果，得出以下建議：

1) 單個噴嘴MVD試驗室標定數據應該詳細充分，作為MVD標定的初始依據；

2) 標定時應確保自然風速較小，自然風與噴霧方向一致；

3) 標定時每個MVD和LWC應仔細核實，確保數據準確；

4) 云霧參數需要標定大量數據，從中進行分析得出擬合曲線；

5) 結冰均勻性需要在條件好的情況下在噴灑塔云霧輸送方向上進行不同距離測量。

[1] Bellucci M, Esposito B M. Calibration of the CIRA IWT in the Low Speed Configuration[C]. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.

[2] SAE-ARP5905，Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels[S].2003.

[3] 易 賢，桂業(yè)偉，等.結冰風洞水滴直徑標定方法研究[J].實驗流體力學，2010.

[4] PDI Flight Probe, Dual Range(FPDR) User Manual[Z].

Calibration of Freezing Frog Parameters of the Icing Spray Tower

LI Kaicheng , JIN Kunjian, YI Hui, LIANG Jianhai

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The components and function of the icing spray tower were introduced briefly first. Then the purpose of the freezing frog parameters calibration was expressed. The method of calibration was provided. The flow of calibration was formulated. At last, some results of calibration were provided. Based on the results, some conclusions were obtained, some proposals were suggested.

icing spray tower; freezing frog parameters; calibration

2015-09-16

李開成(1983-)，男，安徽省鳳陽縣人，碩士，高級工程師，主要研究方向：旋翼綜合試驗。

1673-1220(2015)04-058-05

V216.5

A