結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段云霧粒徑測(cè)量與控制實(shí)驗(yàn)研究

郭 龍, 程 堯, 王梓旭

(1. 西北工業(yè)大學(xué), 西安 710072; 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

結(jié)冰風(fēng)洞是開展飛機(jī)結(jié)冰及其防護(hù)試驗(yàn)研究的重要地面設(shè)備。其主要通過制冷、高度模擬、噴霧等子系統(tǒng)的運(yùn)行，在試驗(yàn)段形成低溫、負(fù)壓的過冷均勻水霧，從而模擬飛行器穿越云層時(shí)所遭遇的真實(shí)結(jié)冰云霧環(huán)境，以評(píng)估飛行器在該環(huán)境下的結(jié)冰特性或驗(yàn)證所設(shè)計(jì)防除冰系統(tǒng)的有效性。云霧粒徑是表征云霧顆粒尺度的主要參數(shù)，對(duì)飛行器結(jié)冰的區(qū)域和結(jié)冰形狀影響較大，是影響飛機(jī)結(jié)冰的關(guān)鍵因素之一，對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)量與控制是結(jié)冰風(fēng)洞中開展飛行器結(jié)冰和防除冰試驗(yàn)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(shù)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(jié)冰風(fēng)洞中的云霧粒徑通常使用MVD來表示[2-4]，又稱DV0.5，其內(nèi)涵為大于該直徑的液滴總體積(質(zhì)量)與小于該直徑的液滴總體積(質(zhì)量)，各占噴霧總體積(質(zhì)量)的50%。

國(guó)內(nèi)外結(jié)冰風(fēng)洞中測(cè)量MVD的主要設(shè)備有FSSP(Forward Scattering Spectrometer Probe，前向散射分光測(cè)量?jī)x)、OAP(Optical Array Probe，光學(xué)陣列測(cè)量?jī)x)、PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer，相位多普勒粒子分析儀)、ADA(Airborne Droplet Analyzer Probe，機(jī)載液滴分析儀)和Malvern測(cè)量?jī)x等[5]。Robert F. Ide, Judith F. Van Zante等[6-8]在美國(guó)IRT結(jié)冰風(fēng)洞中利用FSSP、OAP、CDP(Cloud Droplet Probe，云霧液滴探針)等儀器對(duì)該風(fēng)洞的云霧MVD進(jìn)行了測(cè)量，獲得了風(fēng)洞粒徑的有效范圍，評(píng)估了粒徑測(cè)量的誤差，從工程上解決了風(fēng)洞的試驗(yàn)粒徑控制問題。L. Imperato，Esposito B. M等[9-11]在意大利IWT結(jié)冰風(fēng)洞中利用PDPA、OAP、ADA等設(shè)備對(duì)該風(fēng)洞的云霧MVD進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果給出了風(fēng)洞中MVD的擬合曲線，為風(fēng)洞運(yùn)行提供了一定的依據(jù)。國(guó)內(nèi)由于長(zhǎng)期缺少大型結(jié)冰風(fēng)洞，對(duì)MVD的測(cè)量與控制研究大多是在測(cè)試臺(tái)或小型結(jié)冰風(fēng)洞中完成的。易賢等[12]提出了采用數(shù)值計(jì)算和小型結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段標(biāo)定結(jié)冰風(fēng)洞水滴直徑的方法。符澄等[13-14]在0.3m×0.2m結(jié)冰風(fēng)洞和低壓噴霧試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的霧化特性進(jìn)行了測(cè)試,獲得了水滴蒸發(fā)率、雷諾數(shù)、流量等參數(shù)對(duì)噴嘴霧化特性的影響。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合噴嘴測(cè)試臺(tái)和小型結(jié)冰風(fēng)洞云霧粒徑測(cè)量與控制實(shí)踐，采用新型測(cè)量?jī)x器對(duì)3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞不同條件下的云霧粒徑進(jìn)行了測(cè)量與控制，內(nèi)容涵蓋數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析、試驗(yàn)參數(shù)影響等，系統(tǒng)開展了大型結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段云霧粒徑測(cè)量與控制研究。

結(jié)冰風(fēng)洞在開展試驗(yàn)之前，往往需要進(jìn)行大量的包含粒徑校測(cè)在內(nèi)的云霧參數(shù)測(cè)量工作，以確保試驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性，工作量非常大，特別是對(duì)于大型結(jié)冰風(fēng)洞，其經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本都相當(dāng)大。本文研究的重要目的之一就是要對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞的測(cè)量誤差進(jìn)行分析，對(duì)參數(shù)影響大小進(jìn)行研究和分析，以期優(yōu)化粒徑校測(cè)的內(nèi)容、大幅降低校測(cè)和試驗(yàn)的成本與周期。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 風(fēng)洞

3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞是閉口、回流式風(fēng)洞，具有3個(gè)可更換的試驗(yàn)段。與常規(guī)風(fēng)洞不同，結(jié)冰風(fēng)洞上游有蒸發(fā)器和噴霧模塊，并輔助有制冷系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣模擬系統(tǒng)、防/除冰系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞輪廓圖

1.2 測(cè)量?jī)x器及原理

使用美國(guó)Artium公司生產(chǎn)的PDI-FP(相位多普勒飛行探頭系統(tǒng))進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)工作原理(見圖2)是采用激光器作為光源，將顆粒看作1個(gè)微小的透鏡，測(cè)量顆粒對(duì)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??；通過頻率變化反映其運(yùn)動(dòng)速度的大小。在液滴體積中干涉條紋間距的計(jì)算是由焦距決定的。這個(gè)儀器可以在飛行器上直接安裝或者在風(fēng)洞的應(yīng)用環(huán)境下對(duì)單個(gè)液滴顆粒的粒徑大小和速度值進(jìn)行實(shí)時(shí)、無接觸的測(cè)量。激光器形式為二極管泵浦固體激光器(DPSS)，粒徑測(cè)量范圍0.5～1000μm，測(cè)量精度±0.5μm。系統(tǒng)自帶加熱功能，可在低溫結(jié)冰環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量而不會(huì)造成信號(hào)損失。

圖2 PDI-FP測(cè)量原理圖

1.3 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

測(cè)量試驗(yàn)的條件為：風(fēng)速為67和105m/s;溫度為-11℃～常溫;環(huán)境壓力為96～54kPa;噴霧系統(tǒng)水壓為0.1～0.5MPa;噴霧系統(tǒng)氣壓為0.1～0.5MPa。

試驗(yàn)中，使用支撐架將PDI-FP安裝于風(fēng)洞中心，測(cè)試區(qū)域距風(fēng)洞下洞壁1.0m(見圖3)。試驗(yàn)步驟為：穩(wěn)風(fēng)速運(yùn)行風(fēng)洞，根據(jù)需要運(yùn)行高度模擬系統(tǒng)，同時(shí)調(diào)節(jié)控制風(fēng)洞的風(fēng)速和壓力；待風(fēng)速和壓力穩(wěn)定后，啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，等待降溫；溫度達(dá)到試驗(yàn)條件后，按預(yù)先標(biāo)定的云霧模擬水壓、氣壓組合開啟噴霧系統(tǒng)；噴霧穩(wěn)定后，記錄粒徑數(shù)據(jù)，變換水壓、氣壓組合，云霧穩(wěn)定后測(cè)量并記錄下一狀態(tài)。為了保證數(shù)據(jù)測(cè)量的可靠性，PDI-FP測(cè)量時(shí)樣本粒子數(shù)大于20 000個(gè)，采樣時(shí)間12s。

圖3 安裝于風(fēng)洞中的PDI-FP

MVD與噴霧系統(tǒng)的水壓和氣壓直接相關(guān)，且有

MVD=f(pair,pwater)

(1)

式中：pair和pwater分別是噴霧系統(tǒng)的氣壓和水壓。不同的噴嘴結(jié)構(gòu)，其函數(shù)關(guān)系不盡相同。本文根據(jù)3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞的測(cè)試結(jié)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(tǒng)氣壓，單次測(cè)試中水壓為定值。a、b、c、d、e等系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合獲得。不同水壓下的典型系數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 典型系數(shù)結(jié)果Table 1 Typical coefficients

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，得到不同時(shí)刻的MVD值，其結(jié)果可有效地評(píng)估儀器的測(cè)試精度。表2給出了在3種粒徑條件下，通過5次重復(fù)測(cè)量得到的不同時(shí)刻的MVD值。使用統(tǒng)計(jì)中均方差的概念來表征數(shù)據(jù)的離散程度，測(cè)試結(jié)果表明，所測(cè)粒徑范圍內(nèi)，多次測(cè)量最大均方差為0.42μm，與平均值的相對(duì)偏差最大為1.3%。

圖4(a)給出了試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與擬合結(jié)果的對(duì)比情況，其中擬合結(jié)果采用1.3節(jié)的擬合公式得到，同時(shí)給出了1∶1線和±10%線。從結(jié)果看，所有試驗(yàn)結(jié)果均可擬合在±10%誤差帶內(nèi)，滿足SAE ARP5905[15]規(guī)定的結(jié)冰風(fēng)洞云霧粒徑測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。圖4(b)給出了文獻(xiàn)[16]中計(jì)算與擬合的對(duì)比結(jié)果。與文獻(xiàn)結(jié)果相比，本文結(jié)果無論在小粒徑區(qū)還是大粒徑區(qū)，偏差均較小。

其次，生產(chǎn)條件得天獨(dú)厚。現(xiàn)代化、機(jī)械化、專業(yè)化是美國(guó)農(nóng)業(yè)最主要的特點(diǎn)。不同于中國(guó)的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)，美國(guó)的農(nóng)戶通常都擁有一大片耕地，再加上美國(guó)平原面積廣闊，機(jī)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(fèi)較少的勞動(dòng)力。這也是一個(gè)美國(guó)人可頂中國(guó)236個(gè)勞動(dòng)力的原因所在。

表2 PDI-FP重復(fù)性測(cè)試結(jié)果Table 2 Repeatability of PDI-FP

(a) 本文結(jié)果

(b) 文獻(xiàn)結(jié)果

2.2 噴霧系統(tǒng)水、氣壓力影響

圖5給出了V=67m/s、Ts=-0.1℃云霧粒徑MVD受結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)水、氣壓力影響的情況。

圖5 水、氣壓力對(duì)MVD的影響

從結(jié)果看，pwater=0.2MPa時(shí)，氣壓從0.13MPa逐漸提高后，MVD隨之減小，當(dāng)氣壓達(dá)到0.26MPa時(shí)，MVD達(dá)到16.23μm的最小值；氣壓繼續(xù)增大，噴霧系統(tǒng)無法噴出水霧。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是由于氣壓增大后，噴嘴內(nèi)腔中的氣液比(Air Liquid Ratio，ALR)隨之增大，從霧化機(jī)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(dāng)ALR大到一定程度時(shí)，噴嘴內(nèi)腔的空氣完全抑制住了水的壓力，導(dǎo)致無法形成較好的水霧。整個(gè)變化過程中MVD呈先快后慢的趨勢(shì)，其它水壓下亦呈現(xiàn)此規(guī)律。這表明，在噴嘴結(jié)構(gòu)確定的情況下，風(fēng)洞云霧的小粒徑范圍主要受噴霧系統(tǒng)氣壓的影響。另一方面，噴霧系統(tǒng)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(jié)構(gòu)確定的情況下，風(fēng)洞云霧的大粒徑范圍受噴霧系統(tǒng)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(duì)壓力波動(dòng)也很敏感，因此在結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)水、氣壓力的運(yùn)行控制中，要盡可能地提高壓力控制精度，以減少噴霧系統(tǒng)帶來的系統(tǒng)誤差。

2.3 風(fēng)速影響

在結(jié)冰風(fēng)洞的低溫環(huán)境下，液滴直徑的變化主要受液滴自身的蒸發(fā)和粒子間的相互碰撞作用的影響。根據(jù)蒸發(fā)理論，全液相區(qū)域內(nèi)的液滴與空氣間的對(duì)流傳熱導(dǎo)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(yùn)動(dòng)過程中由于噴嘴噴霧錐角的存在而發(fā)生碰撞，造成液滴的相互融合和破碎飛濺。對(duì)于3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞，其小水滴噴嘴產(chǎn)生的云霧粒徑大多都在70μm以下，液滴相對(duì)變形較小，不易發(fā)生破碎；而液滴相互碰撞融合會(huì)使得云霧粒徑變大。

圖6給出了Ts=-0.1℃、pwater=0.2MPa，風(fēng)速分別為67和105m/s時(shí)的MVD隨噴霧系統(tǒng)氣壓變化曲線。從圖上看，來流風(fēng)速對(duì)試驗(yàn)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(nèi)，粒徑最大變化量為2.4μm。

圖6 不同風(fēng)速下的MVD變化曲線

表3給出了相應(yīng)的誤差分析結(jié)果。從結(jié)果看，不同風(fēng)速下，MVD的最大均方差1.7μm，與平均值的相對(duì)偏差最大為6.4%，在±10%的測(cè)量誤差范圍內(nèi)。

表3 風(fēng)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(fā)方面，由于小液滴的跟隨性較好，液滴在很短的距離內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)速度就與氣流速度一致[17]，不同速度的液滴蒸發(fā)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(fēng)速，僅僅是影響了液滴的軸向速度(平行于氣流方向)，因此，風(fēng)速對(duì)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(shí)不同氣流溫度下的MVD隨噴霧系統(tǒng)氣壓變化曲線。從結(jié)果看，不同溫度條件對(duì)試驗(yàn)段云霧粒徑的影響較小。試驗(yàn)段靜溫分別為25.6℃、-0.1℃和-11.2℃條件下，MVD在13～50μm范圍內(nèi)。

表3給出了詳細(xì)的誤差分析。MVD1、MVD2和MVD3相應(yīng)的試驗(yàn)段靜溫分別為25.6℃、-0.1℃和-11.2℃。從表中可以看出，在測(cè)試條件下，粒徑的最大均方差為2.63μm，與平均值的相對(duì)偏差最大為6.3%，在±10%的測(cè)量誤差范圍內(nèi)。與2.3節(jié)的分析相似，不同氣流溫度對(duì)液滴的碰撞特性影響較??；而液滴的蒸發(fā)特性，由于結(jié)冰風(fēng)洞在噴霧穩(wěn)定后，穩(wěn)定段及試驗(yàn)段的空氣相對(duì)濕度均為100%，達(dá)到飽和狀態(tài)，因此氣流溫度對(duì)液滴的蒸發(fā)影響較小，粒徑變化也就不明顯；因此，氣流溫度對(duì)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(huán)境壓力影響

圖8 環(huán)境壓力對(duì)MVD的影響曲線

3 結(jié) 論

在3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞中，采用相位多普勒飛行探頭系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)段云霧粒徑進(jìn)行了測(cè)量與控制研究，重點(diǎn)分析了壓力、風(fēng)速、溫度等參數(shù)對(duì)MVD的影響，研究結(jié)果表明：

(1) PDI-FP測(cè)量結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段云霧粒徑的精準(zhǔn)度高，在測(cè)試樣本范圍內(nèi)，多次測(cè)量的最大均方差為0.42μm，試驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果的偏差在±10%以內(nèi)。

(2) 在本文測(cè)試條件下，噴霧系統(tǒng)水壓和氣壓對(duì)MVD的影響很大，且MVD對(duì)壓力波動(dòng)較為敏感；MVD受風(fēng)速和溫度影響較小，最大相對(duì)偏差均在±10%的測(cè)量誤差范圍內(nèi)。

(3) 在本文測(cè)試條件下，MVD受環(huán)境壓力變化較大，96和54kPa條件下MVD變化達(dá)到9.1μm，在模擬高度的結(jié)冰試驗(yàn)中需考慮此影響。

(4) 本文采用的測(cè)量方法以及獲得的研究結(jié)果，可對(duì)國(guó)內(nèi)其它風(fēng)洞機(jī)構(gòu)的云霧參數(shù)校測(cè)工作提供參考。

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