結(jié)冰風(fēng)洞液態(tài)水含量測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賴(lài)慶仁郭 龍李 明梁 鑒彭 毅

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽(yáng) 621000; 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所,四川綿陽(yáng) 621000)

結(jié)冰風(fēng)洞液態(tài)水含量測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賴(lài)慶仁1,2,*,郭 龍1,2,李 明1,2,梁 鑒2,彭 毅2

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽(yáng) 621000; 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所,四川綿陽(yáng) 621000)

結(jié)冰風(fēng)洞與常規(guī)風(fēng)洞的重要區(qū)別就是結(jié)冰風(fēng)洞能夠模擬真實(shí)大氣結(jié)冰云霧環(huán)境,研究飛行器的結(jié)冰特性,因此結(jié)冰云霧參數(shù)的模擬是結(jié)冰風(fēng)洞主要而且關(guān)鍵的能力。液態(tài)水含量是結(jié)冰風(fēng)洞云霧參數(shù)中一項(xiàng)重要參數(shù),其準(zhǔn)確測(cè)量是結(jié)冰試驗(yàn)開(kāi)展的基本前提。冰刀法測(cè)量液態(tài)水含量在國(guó)內(nèi)外被廣泛認(rèn)可,且冰刀裝置作為風(fēng)洞校測(cè)基本手段,寫(xiě)入了結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)規(guī)范。針對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞中用于液態(tài)水含量測(cè)量的冰刀裝置,根據(jù)其測(cè)量原理制定了試驗(yàn)方案;提出了整套裝置設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)并指出其中的技術(shù)難點(diǎn);對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)關(guān)鍵受力部件進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度分析;進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究,包括冰刀液態(tài)水收集系數(shù)計(jì)算和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等;最后將設(shè)計(jì)出的冰刀裝置在結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:冰刀裝置設(shè)計(jì)合理,液態(tài)水收集效果良好,實(shí)現(xiàn)了結(jié)冰風(fēng)洞液態(tài)水含量的測(cè)量標(biāo)定,且防護(hù)罩開(kāi)閉迅速,實(shí)現(xiàn)了結(jié)冰時(shí)間的精確控制,滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。

結(jié)冰風(fēng)洞;云霧場(chǎng);液態(tài)水含量;冰刀裝置;驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

0 引 言

結(jié)冰風(fēng)洞是研究飛行器飛行時(shí)迎風(fēng)表面和機(jī)外傳感器結(jié)冰形態(tài)及其防(除)冰技術(shù)的特種風(fēng)洞,是新機(jī)研制必不可少的重要地面試驗(yàn)設(shè)備。結(jié)冰風(fēng)洞與常規(guī)風(fēng)洞的重要區(qū)別就是其能夠模擬真實(shí)大氣結(jié)冰云霧環(huán)境,研究飛行器的結(jié)冰特性,故結(jié)冰云霧參數(shù)的模擬是結(jié)冰風(fēng)洞主要而且關(guān)鍵的能力。同樣,對(duì)于建成后的結(jié)冰風(fēng)洞,結(jié)冰云霧參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量也是直接關(guān)系到風(fēng)洞能否具備試驗(yàn)?zāi)芰烷_(kāi)展試驗(yàn)研究的重要前提[1]。

液態(tài)水含量(Liquid Water Content,簡(jiǎn)稱(chēng)LWC)是指單位云體中所含的液態(tài)水的重量,單位為g/m3。液態(tài)水含量越大,單位時(shí)間內(nèi)撞擊在機(jī)體表面上的水量越多,則結(jié)冰越嚴(yán)重[2-4]。液態(tài)水含量是結(jié)冰風(fēng)洞重要試驗(yàn)參數(shù)之一,它直接影響冰的形成速度、結(jié)冰的類(lèi)型以及在結(jié)冰防護(hù)區(qū)外向后流動(dòng)的水是否凍結(jié)等。因此,液態(tài)水含量對(duì)遭遇結(jié)冰環(huán)境的飛機(jī)性能影響很大,結(jié)冰試驗(yàn)中對(duì)液態(tài)水含量的準(zhǔn)確測(cè)量是一項(xiàng)十分重要的工作[5-7]。

液態(tài)水含量測(cè)量方法有多種,按其工作原理分主要有冰刀法、熱線(xiàn)法、超聲波法和液滴尺寸/計(jì)數(shù)法等。國(guó)外很早就在結(jié)冰風(fēng)洞中開(kāi)展了液態(tài)水含量的測(cè)量研究[8-14],美國(guó)NASA IRT風(fēng)洞、COX風(fēng)洞、意大利CIRA IWT風(fēng)洞均采用多種方法開(kāi)展了對(duì)比研究[15-17],結(jié)果表明,各種方法的測(cè)量結(jié)果存在一定差異,且各種方法的應(yīng)用條件也不盡相同,這也是液態(tài)水含量測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)所在。目前,國(guó)外風(fēng)洞中,冰刀法的測(cè)量結(jié)果被廣泛認(rèn)可,且在風(fēng)洞校測(cè)中將冰刀裝置作為基本手段,寫(xiě)入了結(jié)冰風(fēng)洞校準(zhǔn)規(guī)范。而國(guó)內(nèi)方面,中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心利用小型結(jié)冰風(fēng)洞開(kāi)展了冰刀法的原理性研究,但尚未在大型結(jié)冰風(fēng)洞中實(shí)踐應(yīng)用。

為設(shè)計(jì)一套能適應(yīng)結(jié)冰風(fēng)洞低溫高濕等惡劣試驗(yàn)環(huán)境的冰刀試驗(yàn)裝置,解決其中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),進(jìn)而為3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞的液態(tài)水含量測(cè)量工作提供手段和技術(shù)保障,課題組對(duì)冰刀法進(jìn)行了系列研究。

1 測(cè)量原理與試驗(yàn)方案

1.1 測(cè)量原理

冰刀法是根據(jù)冰的生長(zhǎng)原理進(jìn)行測(cè)量的。工作時(shí),將冰刀(矩形薄片,為液態(tài)水收集裝置)置于結(jié)冰風(fēng)洞來(lái)流中,一定時(shí)間后,工作面就會(huì)生長(zhǎng)一定量的冰。試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)測(cè)量冰的厚度和結(jié)冰時(shí)間等參數(shù),采用式(1)計(jì)算出風(fēng)洞對(duì)應(yīng)條件下的液態(tài)水含量值。

式中,LWC為液態(tài)水含量值,C為單位轉(zhuǎn)換常數(shù),ρice為冰的密度,ΔS為冰的生長(zhǎng)厚度,Eb為冰刀收集效率(液態(tài)水收集系數(shù)),v為試驗(yàn)風(fēng)速,t為結(jié)冰時(shí)間。

冰刀法的關(guān)鍵是確保撞擊到冰刀工作面的過(guò)冷液態(tài)水能夠全部?jī)鼋Y(jié),這就要求云霧場(chǎng)的溫度要足夠低(通常在-18℃以下),此時(shí)冰刀上所結(jié)冰為霜冰。

1.2 試驗(yàn)方案

基于測(cè)量原理,制定如下試驗(yàn)方案:將冰刀安裝于風(fēng)洞中心線(xiàn)上,冰刀前面裝有一防護(hù)罩,如圖1所示。防護(hù)罩準(zhǔn)備狀態(tài)處于關(guān)閉位置,將冰刀前緣保護(hù)起來(lái)。當(dāng)結(jié)冰風(fēng)洞流場(chǎng)穩(wěn)定后,防護(hù)罩快速移開(kāi),被暴露在云霧場(chǎng)中的冰刀前緣在液態(tài)水撞擊下開(kāi)始生長(zhǎng)冰,試驗(yàn)結(jié)束后快速關(guān)閉防護(hù)罩保護(hù)生長(zhǎng)的冰。防護(hù)罩作快速打開(kāi)、關(guān)閉運(yùn)動(dòng),其打開(kāi)、關(guān)閉時(shí)間間隔即為結(jié)冰時(shí)間t。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)和技術(shù)難點(diǎn)

冰刀裝置設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)為:(1)液態(tài)水收集系數(shù)Eb大于0.95;(2)結(jié)冰時(shí)間控制精度要求防護(hù)罩作0°～90°角行程時(shí)間小于0.2 s;(3)最大試驗(yàn)風(fēng)速下關(guān)鍵部件的變形量:冰刀小于0.05 mm,防護(hù)罩小于1 mm;(4)冰刀裝置阻塞度小于5%;(5)冰刀表面粗糙度為0.8μm[18]。

從上技術(shù)指標(biāo)分析可知冰刀裝置設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)冰刀裝置液態(tài)水收集系數(shù)Eb要求大于0.95且冰刀的變形量須小于0.05 mm。由于云霧場(chǎng)氣流在遭遇冰刀片時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞流從而使液態(tài)水收集系數(shù)降低,為了提高收集系數(shù)就須將冰刀片厚度減小從而減少繞流的影響,但是厚度減小后冰刀剛度又不能滿(mǎn)足要求,如何解決這一矛盾問(wèn)題是冰刀裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

(2)結(jié)冰時(shí)間控制精度要求防護(hù)罩作0°～90°角行程時(shí)間小于0.2 s,且裝置整體阻塞度要求低于5%。這對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了很高要求:首先要適應(yīng)結(jié)冰風(fēng)洞低溫高濕惡劣試驗(yàn)環(huán)境,其次要提供足夠的驅(qū)動(dòng)力和響應(yīng)速度,而且系統(tǒng)總體安裝尺寸需盡量減小阻塞度,不應(yīng)對(duì)工作面流場(chǎng)造成影響,驅(qū)動(dòng)器需結(jié)構(gòu)輕巧、易于維護(hù)、操作方便等。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制方式很難滿(mǎn)足上述要求,所以需創(chuàng)新研發(fā)一套合適的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),這也是整套冰刀裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冰刀裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上包含冰刀和防護(hù)罩兩大部分。

冰刀是收集液態(tài)水的工作件,是云霧結(jié)冰受體,其結(jié)構(gòu)及形態(tài)直接關(guān)系到冰的生長(zhǎng)結(jié)果。從強(qiáng)度和剛度要求出發(fā),將冰刀設(shè)計(jì)成3mm×6 mm×300 mm的矩形結(jié)構(gòu),要求表面粗糙度Ra值為0.8μm,材料為不銹鋼材1Cr18Ni9Ti,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的支撐架使冰刀處于風(fēng)洞中心。

防護(hù)罩設(shè)計(jì)包含防護(hù)罩以及配套的轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)和支撐座等。防護(hù)罩作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),且速度要求高,從而對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了很高的要求。為了在強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的前提下減小驅(qū)動(dòng)力,采用碳纖維材料制作,罩前緣形狀按NACA0012翼型前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,利用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)各部件進(jìn)行了建模,并進(jìn)行了不同狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)仿真裝配,確保試驗(yàn)裝置各部件之間不發(fā)生干涉。冰刀和防護(hù)罩部件結(jié)構(gòu)如圖2所示[19]。

3.2 受力分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,需要對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析以確保裝置在試驗(yàn)時(shí)的安全。對(duì)冰刀和防護(hù)罩在風(fēng)洞最大試驗(yàn)風(fēng)速環(huán)境下進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核。如圖3所示,結(jié)果顯示冰刀和防護(hù)罩的最小安全系數(shù)均大于3,冰刀最大變形量為0.02 mm,防護(hù)罩最大變形量為0.77 mm,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖2 部件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of structures

圖3 冰刀和防護(hù)罩受力分析圖Fig.3 Stress analysis diagram of icing blade and protection cover

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 冰刀液態(tài)水收集系數(shù)計(jì)算

冰刀為一矩形薄片,置于風(fēng)洞中心,冰刀厚度(垂直來(lái)流)在保證強(qiáng)度剛度滿(mǎn)足要求的前提下,還須使液態(tài)水收集系數(shù)Eb大于0.95。

4.1.1 液態(tài)水收集系數(shù)定義

結(jié)冰風(fēng)洞云霧場(chǎng)中液態(tài)水為過(guò)冷水滴,隨著氣流運(yùn)動(dòng),與物體表面發(fā)生碰撞前的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 水滴運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of water droplets trajectories

兩條相切軌跡所包圍的機(jī)翼表面稱(chēng)為撞擊區(qū),兩條相切軌跡之內(nèi)撞擊在翼面上的水滴質(zhì)量稱(chēng)為撞擊量。其中y、Δy為總撞水高度和局部撞水高度,H、Δs為機(jī)翼投影高度和局部撞擊高度。水滴對(duì)表面的撞擊區(qū)、撞擊量以及水滴在撞擊區(qū)內(nèi)的分布,統(tǒng)稱(chēng)為水滴對(duì)表面的撞擊特性。局部收集系數(shù)與總收集系數(shù)定義如下:

4.1.2 總收集系數(shù)計(jì)算

計(jì)算冰刀的總收集系數(shù),需要捕獲過(guò)冷水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡,因此可通過(guò)ANSYS-FLUENT計(jì)算流場(chǎng)后,然后采用離散相模型(DPM)計(jì)算模型計(jì)算過(guò)冷水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡[20]。即,在得到流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果后,在冰刀來(lái)流投放一定數(shù)量的粒子(水滴),利用流場(chǎng)結(jié)果計(jì)算過(guò)冷水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡(如圖5所示),最終得到可以撞擊到冰刀表面的過(guò)冷水滴范圍及總投入粒子數(shù)量,通過(guò)式(3)計(jì)算可得到總收集系數(shù)。

對(duì)2 mm～7 mm范圍內(nèi)不同厚度冰刀的收集系數(shù)做了計(jì)算,如圖6所示,得出以下結(jié)論:在同一風(fēng)速下,收集系數(shù)隨著冰刀厚度增大而降低;在同一冰刀厚度下,收集系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而升高。所取冰刀厚度為3 mm,在常用試驗(yàn)風(fēng)速(通常在25 m/s以上)下收集系數(shù)大于0.95,滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 速度矢量和水滴運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.5 Velocity vector and water droplets trajectories diagram

圖6 收集系數(shù)與冰刀厚度關(guān)系圖Fig.6 Diagram between the collect coefficient and the thickness

4.2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)防護(hù)罩的開(kāi)閉防護(hù)功能,需配套驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)控制的要求比較高,首先要適應(yīng)結(jié)冰風(fēng)洞低溫、低壓、高濕惡劣試驗(yàn)環(huán)境。其次為了實(shí)現(xiàn)結(jié)冰時(shí)間的精確控制,要求防護(hù)罩開(kāi)閉周期小于0.2s,從而要求驅(qū)動(dòng)器能提供較高驅(qū)動(dòng)力,且驅(qū)動(dòng)器自身結(jié)構(gòu)較小不能增加阻塞度。這些需求在國(guó)內(nèi)是首例,沒(méi)有成品驅(qū)動(dòng)器購(gòu)買(mǎi),也沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)借鑒。針對(duì)這一情況,創(chuàng)新采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式,其優(yōu)點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上不增加驅(qū)動(dòng)器尺寸,而是通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)氣壓滿(mǎn)足高驅(qū)動(dòng)力要求。制定技術(shù)方案如下:設(shè)計(jì)一個(gè)高速氣缸作為驅(qū)動(dòng)器,利用風(fēng)洞現(xiàn)有氣源壓力驅(qū)動(dòng)高速氣缸帶動(dòng)防護(hù)罩運(yùn)動(dòng);設(shè)計(jì)一只氣控閥,控制氣路的換向,實(shí)現(xiàn)防護(hù)罩開(kāi)閉擺動(dòng)。

4.2.2 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

由于防護(hù)罩作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),將驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成齒輪齒條雙活塞對(duì)稱(chēng)氣缸結(jié)構(gòu),工作原理為——通過(guò)改變進(jìn)氣腔體從而驅(qū)動(dòng)活塞齒條帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),如圖7所示。驅(qū)動(dòng)器包含氣缸、齒輪軸、齒條活塞、彈簧等部分,總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。氣缸是運(yùn)動(dòng)的發(fā)生空間,齒輪軸傳遞運(yùn)動(dòng)給防護(hù)罩,齒條活塞在氣壓的推動(dòng)下帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),彈簧起緩沖和蓄能作用,可以提高活塞的快速響應(yīng)和動(dòng)作平穩(wěn)性。

圖7 驅(qū)動(dòng)器工作原理圖Fig.7 Working principle of the driver

圖8 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the structure of the driver

4.2.3 氣控閥設(shè)計(jì)

進(jìn)氣口的切換通過(guò)一只氣控閥來(lái)控制。針對(duì)驅(qū)動(dòng)氣缸的結(jié)構(gòu),將氣控閥設(shè)計(jì)成兩位四通閥,如圖9所示。氣控閥包含缸體、活塞、壓縮彈簧、左右端蓋等部件。氣控閥是通過(guò)改變活塞的位置來(lái)達(dá)到控制換向的目的。

圖9 氣控閥示意圖Fig.9 Schematic diagram of the pneumatic control valve

氣控閥外罩設(shè)計(jì)成與驅(qū)動(dòng)器相同外形,并對(duì)稱(chēng)布置于冰刀支架兩側(cè)(見(jiàn)圖2),從而減小不對(duì)稱(chēng)氣流擾動(dòng)引起的冰刀振動(dòng)。

4.2.4 氣控閥與驅(qū)動(dòng)器管路連接

為實(shí)現(xiàn)防護(hù)罩正確動(dòng)作,通氣管路的正確連接很重要。而連接重點(diǎn)在氣控閥處,需使用多個(gè)氣管分支接頭將各管路連接在一起。系統(tǒng)通氣管路連接如圖10所示,連線(xiàn)的交匯處均需使用氣管分支接頭。閥與氣管連接后,整體置于閥箱體內(nèi),與驅(qū)動(dòng)器連接的三根管路從小支架底部開(kāi)槽通過(guò)連接至氣缸,而驅(qū)動(dòng)氣源與控制氣源兩根管路從支架腿部所開(kāi)的槽中通過(guò)連接至洞外氣源。

圖10 管路連接示意圖Fig.10 Schematic diagram of the connection of the pipeline

4.2.5 防護(hù)罩開(kāi)閉時(shí)間核算

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完后需對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算,主要是核算防護(hù)罩開(kāi)閉時(shí)間。首先對(duì)驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)行受力分析,如圖11所示。從圖11可以看出,氣缸閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力比較復(fù)雜,而且過(guò)程中各作用力大小隨著閥的行程變化而改變。

圖11 氣缸受力運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the force and motion of driver

由于采用的是氣壓驅(qū)動(dòng)方式,取充氣過(guò)程質(zhì)量流進(jìn)行時(shí)間計(jì)算。氣缸充氣過(guò)程符合噴管流理論:

當(dāng)噴管出口背壓p1≤0.528p0時(shí),噴管流量計(jì)算滿(mǎn)足式(4):

當(dāng)壓比處于范圍0.528p0＜p1≤p0時(shí),噴管流量按式(5)計(jì)算:

解上述二元二次微分方程可以得出當(dāng)驅(qū)動(dòng)氣壓為0.3 MPa時(shí),防護(hù)罩開(kāi)閉時(shí)間為0.17 s＜0.2 s,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。這是理論計(jì)算上的時(shí)間,實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)間還會(huì)隨著各部件加工精度發(fā)生波動(dòng)。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)在3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行,如圖12所示。

圖12 驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖Fig.12 Schematic diagram of the test application

試驗(yàn)條件為:風(fēng)速105 m/s,溫度-20℃,冰刀防護(hù)罩在驅(qū)動(dòng)氣壓增加至0.45 MPa時(shí)開(kāi)閉迅速,打開(kāi)時(shí)間為0.19s,關(guān)閉時(shí)間為0.1s。試驗(yàn)時(shí)冰刀前緣結(jié)冰時(shí)間t=90 s,試驗(yàn)后取冰刀前緣上中下三點(diǎn)測(cè)量生長(zhǎng)的積冰厚度,平均值ΔS=5 mm,此風(fēng)速下積冰的密度取880 kg/m3,收集系數(shù)取0.95,采用式(1)計(jì)算得出液態(tài)水含量LWC=0.49g/m3。由于積冰厚度采取求平均值的方法,重復(fù)性試驗(yàn)中液態(tài)水含量的測(cè)量值在0.488 g/m3～0.492 g/m3之間波動(dòng),精度較高。

6 結(jié) 論

研制的冰刀試驗(yàn)裝置克服了結(jié)冰風(fēng)洞低溫、低壓、高濕惡劣試驗(yàn)環(huán)境,并成功應(yīng)用于液態(tài)水含量值的測(cè)量標(biāo)定。并得到以下主要結(jié)論:

(1)冰刀液態(tài)水收集系數(shù)隨著冰刀厚度的增加而降低。冰刀厚度取為3 mm,不僅能滿(mǎn)足冰刀具有良好的強(qiáng)度剛度,又能使液態(tài)水收集系數(shù)大于0.95,保證了冰刀裝置整體對(duì)風(fēng)洞液態(tài)水的一個(gè)良好收集效果。

(2)采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式,并設(shè)計(jì)一只高速氣缸和一只氣控閥,采用合適驅(qū)動(dòng)氣壓成功實(shí)現(xiàn)防護(hù)罩開(kāi)閉時(shí)間＜0.2s,達(dá)到了結(jié)冰時(shí)間的精確控制要求。

(3)下一步仍需繼續(xù)在測(cè)量精準(zhǔn)度等方面進(jìn)行研究。

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Design and implementation of the device for liquid water content measurement in icing wind tunnel

Lai Qingren1,2,*,Guo Long1,2,Li Ming1,2,Liang Jian2,Peng Yi2
(1.State Key Laboratory of Aerodynamics,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang621000,China; 2.Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang621000,China)

One important difference between icing wind tunnel and conventional one is that icing wind tunnel can simulate the real atmospheric cloud icing environment,and aircraft icing features can be studied in icing wind tunnel.As a result,the simulation of icing cloud parameters is the key function of icing wind tunnel.Liquid water content is one of the important parameters. Accurate measurement for the liquid water content is an essential prerequisite for freezing tests to be carried out.Icing blade is widely recognized at home and abroad as an important method measuring liquid water content.Moreover,icing blade is used as a basic tool for calibrating specification of icing wind tunnel.In this paper,the principle has been introduced for the utilization of icing blade to measure liquid water content in icing wind tunnel,and test plans have been formulated;technical targets have been proposed for the design of a complete set of device, and technical difficulties within the design have also been pointed out;the overall structure of device has been designed,and the stiffness and strength of key mechanical parts has been analyzed;the key technique of the device design has been introduced in detail,including the calculation of collection coefficient for liquid water content and the design of driving control system;the designed icing blade is tested in the icing wind tunnel.The application results show that the icing blade has a good collection effect of liquid water.The protection cover has a high opened and closed speed,which can be realized as accurate control of freezing time.The designedicing blade can fulfill technical target and successfully measure the liquid water content.

icing wind tunnel;cloud field;liquid water content;icing blade;driving control system

V211.7

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0137

0258-1825(2016)06-0750-06

2015-07-23;

2015-09-18

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2015CB755800)

賴(lài)慶仁*(1987-),湖南平江人,工程師,主要從事低速風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行器結(jié)冰研究.E-mail:13402386096@163.com

賴(lài)慶仁,郭龍,李明,等.結(jié)冰風(fēng)洞液態(tài)水含量測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2016,34(6):750-755.

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