結冰風洞及其云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)淺述

白鵬博

（中國航空規(guī)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(huán)境模擬系統(tǒng)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(huán)境，飛行器在此類云霧環(huán)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(fā)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(guī)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(fā)動機通用規(guī)范》等對飛行器及發(fā)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(jīng)濟、實用、先行、安全的突出優(yōu)點，除與常規(guī)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(shù)0.4，最低溫度-32℃；第2試驗段截面1.15m×2.35m（寬×高），最大Ma數(shù)0.7，最低溫度-40℃；第3試驗段截面3.60m×2.35m（寬×高），最大M數(shù)0.25，最低溫度-32℃；開口試驗段截面2.25m×2.35m（寬×高），最大Ma數(shù)小于0.4。風洞模擬高度7000m，平均水滴直徑5～300μm。風洞具有發(fā)動機進氣道模擬系統(tǒng)，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(shù)范圍大，既可以滿足結冰試驗研究外，又可以進行常規(guī)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(shù)

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(huán)境，因此結冰風洞的主要參數(shù)包括以下幾項：

1.試驗段尺寸：試驗段尺寸根據(jù)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(fā)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(fā)展中心的3m風洞最大風速為210m/s、CIRA最大Ma數(shù)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(jù)適航標準規(guī)定，結冰試驗氣流最低溫度為-30℃，一般結冰風洞可實現(xiàn)-35℃甚至達到-40℃；

4.高度模擬：根據(jù)適航標準及大氣環(huán)境研究，一般結冰環(huán)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(shù)：根據(jù)適航標準給定，飛行器結冰試驗的液態(tài)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(jù)第二節(jié)中介紹的結冰風洞主要參數(shù)，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(shù)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(tǒng)：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(jīng)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(tǒng)的作用是為風洞提供運行的動力，驅動氣流以穩(wěn)定的狀態(tài)在洞體內持續(xù)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(tǒng)：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(tǒng)。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(tǒng)可采用制冷機組結合載冷劑系統(tǒng)的方式，滿足風洞關于溫度控制的需求。

4.抽真空系統(tǒng)：抽真空系統(tǒng)的作用主要包含兩個方面，一是為模擬高空低壓環(huán)境，使得試驗段環(huán)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(tǒng)中的關鍵設備，可選用螺桿式真空泵或水環(huán)真空泵滿足結冰風洞對低壓環(huán)境的需求。

5.冰云模擬系統(tǒng)：冰云模擬系統(tǒng)是冰風洞的關鍵設備之一，該系統(tǒng)主要通過兩相流噴嘴在冰風洞中重現(xiàn)飛行器的結冰云霧環(huán)境；冰云模擬系統(tǒng)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(tǒng)：測量控制系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)等物理量轉化成電壓或電流信號，再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐個采樣量化成數(shù)字信號進入計算機進行處理。

4云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)淺述

根據(jù)中國民用航空規(guī)章第25部：運輸類飛機適航標準（CCAR-25-R3）中對云霧參數(shù)的規(guī)定：飛行器結冰試驗的液態(tài)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(xiàn)上述液態(tài)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(fā)生破碎，形成氣液摻混的形態(tài)，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(tǒng)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(huán)境模擬系統(tǒng)平均水滴直徑的關鍵設備，與之對應，云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)需要配置壓力、流量、溫度可調的供水、供氣系統(tǒng)。云霧環(huán)境模擬系統(tǒng)的供水、供氣原理圖示如下：

供水系統(tǒng)主要由水處理設備、穩(wěn)壓罐、換熱器、水泵、壓力傳感器、流量計、溫度傳感器、電動調節(jié)閥等組成。供水系統(tǒng)通過穩(wěn)壓罐、水泵以及電動調節(jié)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(tǒng)主要由空壓機、壓縮空氣罐、換熱器、電動調節(jié)閥以及壓力傳感器、溫度傳感器等組成。供氣系統(tǒng)通過穩(wěn)壓罐、電動調節(jié)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(shù)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(huán)境模擬系統(tǒng)，探討了一種供水、供氣系統(tǒng)設計方案，可供結冰風洞的設計進行參考。

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