平尾防冰表面溢流冰生成規(guī)律試驗(yàn)研究

裴如男，朱東宇，束 珺

（1.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽(yáng) 110034；2.沈陽(yáng)市飛機(jī)結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110034；3.高速高雷諾數(shù)氣動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110034；4.中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

飛機(jī)平尾結(jié)冰是指遭遇結(jié)冰氣象條件時(shí)，平尾表面聚集冰層的現(xiàn)象。結(jié)冰改變了平尾的氣動(dòng)外形，平尾氣動(dòng)特性惡化，影響飛機(jī)的縱向操縱性和穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生平尾失速，直接導(dǎo)致飛行事故［1］。平尾結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致平尾性能的改變，改變的程度與結(jié)冰的程度、冰型以及飛機(jī)的飛行狀態(tài)有關(guān)。由于尺寸效應(yīng)，飛機(jī)平尾結(jié)冰幾率和結(jié)冰程度一般大于機(jī)翼、機(jī)身等部件［2］。平尾結(jié)冰失速發(fā)生時(shí)通常飛行高度低，飛行員難以有足夠時(shí)間做出處置，極易造成飛行事故［3］，這更加凸顯出平尾結(jié)冰預(yù)防的重要性，即需要在平尾上安裝結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)。從安全角度看，防冰比除冰措施更穩(wěn)妥，但假如飛機(jī)遭遇超出設(shè)計(jì)范圍的嚴(yán)苛結(jié)冰條件，如大粒徑過(guò)冷水滴環(huán)境，防冰系統(tǒng)開(kāi)啟后更容易在防護(hù)區(qū)后方形成溢流冰，如1994 年美國(guó)Roselawn 發(fā)生的ATR 飛機(jī)墜毀事故，就是在嚴(yán)重結(jié)冰天氣，即過(guò)冷大水滴（Supercold large droplet，SLD）下有結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)的翼型表面形成冰脊?fàn)钜缌鞅?］，相比流向冰和角狀冰對(duì)升阻的破壞都大。2005 年美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA 在適航咨詢(xún)通告［5］中特別提出需要對(duì)SLD 引起的特殊冰形進(jìn)行審定。隨后有關(guān)SLD 條件翼型表面溢流冰生成的問(wèn)題開(kāi)展了較多研究［6?7］，但 若 防 護(hù) 能 量 不 足 時(shí)，即 使 飛 機(jī) 沒(méi) 有 遭 遇SLD 條件，翼型防護(hù)區(qū)后方也很容易生成溢流冰；而在有限的關(guān)于溢流冰研究的文獻(xiàn)資料中，應(yīng)用較為廣泛的是數(shù)值分析方法，文獻(xiàn)［8］通過(guò)求解水膜破裂后的速度分布得到溪狀流外形，認(rèn)為當(dāng)溢流水膜厚度小于臨界水膜厚度時(shí)即發(fā)生破裂，撞擊區(qū)域內(nèi)形成的連續(xù)水膜不會(huì)破裂，假設(shè)水膜在撞擊極限處立即破裂成溪狀流。文獻(xiàn)［9］基于液/固相變及液膜流動(dòng)理論研究了防冰表面溢流水條件下的結(jié)冰過(guò)程，計(jì)算分析了來(lái)流參數(shù)對(duì)冰層生長(zhǎng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)在溢流條件下，來(lái)流溫度和速度是影響冰層生長(zhǎng)速率的主要原因。文獻(xiàn)［10］運(yùn)用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)水膜破裂前后的速度分布及臨界厚度，結(jié)果表明引入溪狀流模型后，增大的溢流范圍會(huì)較大程度影響防冰系統(tǒng)熱載荷分布，其中同樣假設(shè)水膜在撞擊極限處破裂。文獻(xiàn)［11］建立了防冰表面溢流水水膜流動(dòng)換熱及破裂數(shù)學(xué)模型，研究了來(lái)流速度對(duì)表面連續(xù)水膜厚度及主要散熱項(xiàng)、破裂點(diǎn)溪流厚度與寬度的影響，來(lái)流速度越大，溢流水水膜破裂臨界厚度和溢流范圍隨之增加；同樣假設(shè)在水滴撞擊極限處水膜破裂。假設(shè)的破裂位置其實(shí)與實(shí)際溢流水試驗(yàn)的水膜破裂位置有較大誤差，因此文獻(xiàn)［12］基于冰風(fēng)洞試驗(yàn)的溢流水破裂位置，建立了防冰表面的水膜流動(dòng)數(shù)學(xué)模型來(lái)求解溢流水外形，發(fā)現(xiàn)來(lái)流速度和迎角對(duì)溢流范圍都有影響，而計(jì)算結(jié)果在來(lái)流速度較高時(shí)與冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果符合得更好些。

在翼型防冰表面溢流水方面開(kāi)展的研究較多，關(guān)于溢流冰的研究早期常用特征和形狀簡(jiǎn)化的人造冰形模擬溢流冰外形，如文獻(xiàn)［13］采用3 種三角形模擬溢流冰外形，并將其放置于翼型表面不同弦長(zhǎng)位置處進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，揭示了氣動(dòng)特性與溢流冰外形及生成位置緊密相關(guān)。但簡(jiǎn)化冰形失去了較多真實(shí)溢流冰外形的細(xì)節(jié)特征，因此文獻(xiàn)［14］通過(guò)翼型熱氣防冰系統(tǒng)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究防冰表面的溢流冰生成情況，試驗(yàn)中觀(guān)察到翼型展向溢流冰隨著環(huán)境溫度的降低變化明顯；環(huán)境溫度-1 ℃左右，溢流冰沿展向呈分層溪狀冰結(jié)構(gòu)，溫度降低逐漸形成冰脊，局部有較大體積冰生成。不足的是，其并未深入探索不同類(lèi)型溢流冰生成的原因。文獻(xiàn)［15］研究了翼型表面溢流冰對(duì)氣動(dòng)性能的影響，由于溢流冰試驗(yàn)的翼型與氣動(dòng)試驗(yàn)不一致，對(duì)溢流冰外形進(jìn)行了一定程度的保真處理后貼放于氣動(dòng)試驗(yàn)翼型表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)條件下縮比后溢流冰對(duì)氣動(dòng)性能影響較大，說(shuō)明低雷諾數(shù)下需要保留幾何細(xì)節(jié)的全尺寸溢流冰。文獻(xiàn)［16］采用硅膠底冰形鑄模技術(shù)完整模擬試驗(yàn)獲取的溢流冰特征細(xì)節(jié)，在低溫條件下加速模型固化成形，獲得高保真三維全尺寸溢流冰外形。之后將鑄成的溢流冰模型再生成于平板表面，為在克萊菲爾德風(fēng)洞完成的氣動(dòng)性能試驗(yàn)［17］提供溢流冰外形，并與簡(jiǎn)化的溢流冰外形試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)最常用的三角形簡(jiǎn)化冰結(jié)果最為保守。

綜上所述，關(guān)于平尾防冰表面溢流冰的研究很重要，開(kāi)展的工作卻很少。就目前數(shù)值分析方法來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確判斷防冰表面溢流水破裂位置、溢流冰起始位置等還是離不開(kāi)試驗(yàn)手段。溢流冰的生成難以預(yù)測(cè)和控制，試驗(yàn)研究方面獲得溢流冰的主要方法是在結(jié)冰環(huán)境中，加熱防護(hù)區(qū)后防護(hù)表面未凍結(jié)或融化形成的液態(tài)水在氣動(dòng)力作用下往后溢流，溢流過(guò)程中一部分受熱蒸發(fā)，另一部分繼續(xù)往防護(hù)區(qū)外溢流并再次凍結(jié)形成溢流冰，防冰功率直接影響防護(hù)表面溫度，進(jìn)而影響溢流冰起始位置、溢流范圍和溢流冰類(lèi)型等，因此防冰能量越精準(zhǔn)可控，越能生成所需求的溢流冰類(lèi)型，從而更好地開(kāi)展溢流冰生成規(guī)律研究。本文據(jù)此選擇了加熱功率可精準(zhǔn)調(diào)控的電加熱防冰系統(tǒng)，安裝于典型平尾后掠翼型模型前緣內(nèi)部，通過(guò)冰風(fēng)洞電加熱防冰試驗(yàn)獲得不同類(lèi)型的溢流冰，觀(guān)察各種因素對(duì)后掠翼型防冰表面溢流冰生成的影響，分析溢流冰的生成規(guī)律，為平尾后掠翼型防冰系統(tǒng)的性能評(píng)估提供依據(jù)。

1 冰風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施

1.1 FL?61 結(jié)冰風(fēng)洞

本文試驗(yàn)在中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院FL?61 結(jié)冰風(fēng)洞（圖1）中完成，該風(fēng)洞為回流式冰風(fēng)洞，由動(dòng)力系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、試驗(yàn)段、測(cè)控系統(tǒng)、多通道電加熱控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等組成。FL?61 風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)段設(shè)計(jì)風(fēng)速可達(dá)210 m/s，試驗(yàn)段總溫范圍為-40～60 ℃，試驗(yàn)段截面尺寸0.6 m×0.6 m，試驗(yàn)段全長(zhǎng)2.7 m。噴霧系統(tǒng)由安裝在穩(wěn)定段的13排噴霧耙共121 個(gè)噴嘴組成，可模擬液態(tài)水含量（Liquid water content，LWC）為0.2～3 g/m3和水滴 直 徑（Median volumetric diameter，MVD）為15～50 μm 的結(jié)冰云霧。液態(tài)水含量合水滴直徑等參數(shù)控制精度合云霧均勻性依據(jù)SAE ARP 5905［18］進(jìn)行校測(cè)，典型條件下的試驗(yàn)段界面液態(tài)水含量均勻性云圖如圖2 所示。

圖1 FL-61 結(jié)冰風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structral drawing of FL-61 icing wind tunnel

圖2 試驗(yàn)段云霧均勻性Fig.2 Cloud uniformity in test section

模型前緣電加熱防冰系統(tǒng)由多通道電加熱控制柜連線(xiàn)控制。該控制柜運(yùn)用數(shù)字電路觸發(fā)可控硅實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)的輸出，每臺(tái)控制柜均包含2 路220 V 輸出、1 路380 V 輸出，輸入電壓均為380 V。試驗(yàn)中在控制界面上輸入給定功率，電加熱功率滿(mǎn)足本次試驗(yàn)所有需求。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

某典型運(yùn)輸機(jī)平尾后掠角度約15°，翼型剖面為通用對(duì)稱(chēng)翼型NACA0012，因此本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定為后掠角度15°的NACA0012 翼型。模型翼型弦長(zhǎng)500 mm，等弦長(zhǎng)后掠15°，展向長(zhǎng)度594 mm，水平安裝于試驗(yàn)段截面尺寸0.6 m×0.6 m 的冰風(fēng)洞內(nèi)；翼型材料為3 mm 厚7075 鋁材，整體銑制成型，如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test model

翼型前緣蒙皮至35%弦長(zhǎng)處可拆卸，蒙皮前緣內(nèi)部安裝多層結(jié)構(gòu)電加熱組件，蒙皮內(nèi)部第1 層為聚酰亞胺加熱膜，是一種三明治結(jié)構(gòu)的金屬柔性電熱膜，厚度0.1～0.5 mm，使用溫度范圍-80～180 ℃，最高功率密度可達(dá)3 W/cm2，電壓范圍1.5～380 V；第2層為隔熱墊，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.1 W/（m·K），緊貼于加熱膜背面，主要目的是阻止熱量向模型內(nèi)部擴(kuò)散。圖4 給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ退桨惭b于冰風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的實(shí)物圖。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮贔L?61 結(jié)冰風(fēng)洞中的安裝實(shí)物圖Fig.4 Installation of electro-thermal test model in FL-61 ic?ing wind tunnel

1.3 溫度測(cè)量

試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱卣瓜蛞缌鞅芯康挠行чL(zhǎng)度約400 mm，等間距截取3 個(gè)蒙皮測(cè)溫截面，相互間隔150 mm（圖3）。在翼型前緣沿弦向A、B、C、D、E處布置5 個(gè)蒙皮內(nèi)部加熱膜（圖5）。以翼型幾何零點(diǎn)為參考點(diǎn)，A處加熱膜總弧長(zhǎng)12 mm，上、下翼面弧長(zhǎng)各6 mm；B處加熱膜弧長(zhǎng)35 mm；C處加熱膜弧長(zhǎng)85 mm；D、E處加熱膜弧長(zhǎng)分別為20 mm。試驗(yàn)過(guò)程中使用T 型熱電偶測(cè)量蒙皮表面溫度，每個(gè)測(cè)溫截面布置9 個(gè)熱電偶（1#～9#），安裝于前緣蒙皮表面加工的直徑1 mm 通孔內(nèi)，外部填充鋁粉。弦向測(cè)溫孔布置見(jiàn)圖5，模型在幾何零點(diǎn)位置布置一個(gè)熱電偶，即5#熱電偶，然后沿弦向在上、下翼面各布置4 個(gè)熱電偶，熱電偶之間相距弧長(zhǎng)標(biāo)注在熱電偶編號(hào)后。

圖5 弦向熱電偶布置示意圖Fig.5 Chordwise distribution of thermocouples

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)通過(guò)在結(jié)冰環(huán)境中，利用加熱翼型前緣蒙皮的方法得到所需的相關(guān)溢流冰外形。通過(guò)改變風(fēng)速、環(huán)境溫度、云霧參數(shù)和電加熱功率條件，觀(guān)察防護(hù)表面溢流冰的凍結(jié)特征。需要研究的影響因素較多，為了降低試驗(yàn)成本，在較短時(shí)間內(nèi)利用有限的試驗(yàn)車(chē)次達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)初始選定一個(gè)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)改變風(fēng)速、溫度和云霧條件等進(jìn)行防冰試驗(yàn)。溢流冰試驗(yàn)需要測(cè)量的參數(shù)主要有：冰起始位置、高度、范圍和加熱膜的加熱功率和蒙皮表面溫度。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)洞環(huán)境溫度穩(wěn)定后開(kāi)啟電加熱膜，待模型表面溫度穩(wěn)定后，開(kāi)啟噴霧系統(tǒng)，達(dá)到試驗(yàn)狀態(tài)要求時(shí)長(zhǎng)3 min 后關(guān)閉噴霧系統(tǒng)和電加熱系統(tǒng)，打開(kāi)駐室大門(mén)測(cè)量所需溢流冰參數(shù)。試驗(yàn)段試驗(yàn)示意圖如圖6 所示。上壁面觀(guān)察窗外的攝像頭記錄每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)的試驗(yàn)過(guò)程，溫度采集系統(tǒng)全程采集蒙皮表面溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)能很好地觀(guān)察分析后掠翼型防冰表面溢流冰的生長(zhǎng)過(guò)程。每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)結(jié)束后，拍照記錄翼型表面溢流冰細(xì)節(jié)，用以分析起始位置、溢流范圍等關(guān)鍵參數(shù)。溢流冰生成規(guī)律試驗(yàn)狀態(tài)車(chē)次表見(jiàn)表1，所有狀態(tài)的噴霧時(shí)長(zhǎng)均為3 min。

圖6 溢流冰生成試驗(yàn)示意圖Fig.6 Experimental configuration of runback ice accretion

表1 溢流冰生成規(guī)律試驗(yàn)狀態(tài)車(chē)次表Table 1 Test states of formation rules of runback ice

3 結(jié)果與分析

3.1 基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)

首先進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)，即車(chē)次R01 狀態(tài)，風(fēng)速90 m/s，環(huán) 境 溫 度-7 ℃，MVD 為20.1 μm，LWC 為1.0 g/m3，噴霧時(shí)間3 min，當(dāng)加熱膜功率密度為0.46、0.4、0.27 W/cm2時(shí)，翼型防冰表面會(huì)生成典型溪流狀溢流冰（圖7）。從圖7 中可以看出，翼型前緣加熱區(qū)無(wú)冰，溪狀溢流冰從加熱區(qū)D后緣線(xiàn)開(kāi)始形成，密集分布至30%弦長(zhǎng)線(xiàn)處，此范圍內(nèi)溢流冰最大高度約1 mm。

圖7 防冰表面溢流冰(R01)Fig.7 Runback ice accretion details(R01)

模型中間測(cè)溫截面的溫度分布曲線(xiàn)如圖8 所示。噴霧前蒙皮表面溫度平均維持在10 ℃左右，1#和9#熱電偶測(cè)量的是未開(kāi)啟加熱膜的加熱區(qū)D和E的表面溫度，因此溫度較低。噴霧3 min 停止時(shí)翼型表面溫度降低了8 ℃左右，維持在約2 ℃，此時(shí)加熱區(qū)無(wú)冰生成，加熱區(qū)D前部區(qū)域溫度1 ℃左右，因此無(wú)冰生成，溪狀溢流冰從加熱區(qū)D后方開(kāi)始形成，說(shuō)明這里溫度逐漸降低至冰點(diǎn)。

圖8 防冰表面溫度變化曲線(xiàn)(R01)Fig.8 Leading edge skin temperature distributions(R01)

3.2 云霧參數(shù)

基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)下LWC=1.0 g/m3，MVD=20.1 μm，研究云霧參數(shù)對(duì)翼型防冰表面溢流冰生成的影響時(shí)，單獨(dú)改變液態(tài)水含量或水滴平均直徑，以此來(lái)獲得不同云霧參數(shù)下防護(hù)表面溢流冰生成的變化規(guī)律。

3.2.1 MVD 影響

其他試驗(yàn)條件與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，僅MVD增大為30 μm 和36 μm，即試驗(yàn)車(chē)次為R02 和R03，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖9、10 所示。

圖9 防冰表面溢流冰(R02)Fig.9 Runback ice accretion details(R02)

依據(jù)試驗(yàn)段云霧條件校測(cè)經(jīng)驗(yàn)，在水滴平均直徑稍大的情況下，冰風(fēng)洞試驗(yàn)段水平方向兩側(cè)的云霧水含量稍小，會(huì)導(dǎo)致翼型防冰表面兩端部分區(qū)域無(wú)冰或少冰，但中間有效區(qū)域溢流冰生成未受影響。當(dāng)MVD 為30 μm 時(shí)，溢流冰從加熱區(qū)域B后緣開(kāi)始生成，主要落在加熱區(qū)域D內(nèi)，為典型冰脊?fàn)钜缌鞅?，溢流冰高?.7～5.4 mm；當(dāng)MVD 增加到36 μm 時(shí)，依然生成冰脊，起始位置從加熱區(qū)B后緣開(kāi)始，也生成在加熱區(qū)D內(nèi)，溢流冰高度6～9.6 mm。

圖10 防冰表面溢流冰(R03)Fig.10 Runback ice accretion details(R03)

結(jié)合前面的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)，當(dāng)MVD 為20.1 μm時(shí)，翼型防冰表面生成溪狀溢流冰，溢流冰高度約1 mm。說(shuō)明當(dāng)MVD 增大至30 μm 時(shí)，防冰表面更容易生成高度較高的冰脊，溢流冰起始位置隨著MVD 的增加而往前移動(dòng)。

3.2.2 LWC 影響

其他試驗(yàn)條件與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，LWC 分別為0.45 g/m3和1.5 g/m3，即試驗(yàn)車(chē)次為R04 和R05，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖11、12 所示。

圖11 防冰表面溢流冰(R04)Fig.11 Runback ice accretion details(R04)

圖11 中翼型前緣加熱區(qū)內(nèi)無(wú)冰，溢流冰從加熱片D范圍內(nèi)開(kāi)始生成，起始距離位于加熱片B后緣線(xiàn)約5 mm 處。溢流冰為典型溪狀冰，溢流密集區(qū)在20%弦長(zhǎng)線(xiàn)內(nèi)，冰高度0.1～0.35 mm。圖12為L(zhǎng)WC 增大至1.5 g/m3時(shí)的溢流冰生成情況，上翼面從加熱片D后開(kāi)始形成典型溪狀溢流冰，并有間隙地覆蓋整個(gè)上翼面區(qū)域至尾緣；冰高度0.2～0.3 mm。由圖11 可知，溪狀溢流冰初始形成時(shí)相互之間有間隙。結(jié)合基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明LWC 越大，溢流冰起始位置越靠后，同時(shí)溢流冰在翼面的溢流范圍越廣。

圖12 防冰表面溢流冰(R05)Fig.12 Runback ice accretion details(R05)

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同云霧條件下溢流冰生成起始位置分布，如圖13 所示。當(dāng)MVD 從20.1 μm 增加至36 μm 時(shí)，生成溢流冰的起始位置更加靠近翼型前緣；當(dāng)LWC 從0.45 g/m3增加至1.5 g/m3時(shí)，溢流冰起始位置向翼型尾緣移動(dòng)。關(guān)于溢流冰起始位置與MVD 和LWC 之間的影響規(guī)律需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究分析。

圖13 不同云霧條件下溢流冰起始位置分布圖Fig.13 Initial location of runback ice accretion at different icing conditions

3.3 加熱功率

因防護(hù)能量不足導(dǎo)致生成溢流冰很常見(jiàn)，試驗(yàn)狀態(tài)R06 和R07 下分別將加熱膜的加熱功率上調(diào)20%和下調(diào)20%，之后在冰風(fēng)洞中進(jìn)行防冰試驗(yàn)，觀(guān)察翼型表面溢流冰因加熱功率的改變而發(fā)生的變化，分析其影響規(guī)律。溢流冰試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。加熱功率上調(diào)20%后溢流冰從加熱區(qū)后方15%弦長(zhǎng)線(xiàn)開(kāi)始生成，稀疏分布于整個(gè)上翼面，冰高度0.3～0.9 mm。當(dāng)加熱功率下調(diào)20%后，翼型防冰表面溢流冰生成情況如圖15 所示。噴霧3 min 停止后，溢流冰從加熱區(qū)域B后緣線(xiàn)開(kāi)始形成，開(kāi)始是典型溪狀溢流冰溢流范圍集中于15%弦長(zhǎng)線(xiàn)后五格區(qū)域，高度約0.5 mm；分析試驗(yàn)視頻能觀(guān)察到噴霧2 min 左右溢流冰起始位置處開(kāi)始形成明顯冰脊，冰脊高度2.2 ～5.6 mm；生成冰脊之后溪狀溢流冰溢流范圍不再增加。前緣因加熱膜上布置熱電偶的間隙，有3 段明顯殘留冰，從右至左寬度分別為17、11.15 和14.5 mm。

圖14 防冰表面溢流冰(R06)Fig.14 Runback ice accretion details(R06)

圖15 防冰表面溢流冰(R07)Fig.15 Runback ice accretion details(R07)

翼型前緣加熱功率的改變直接影響防冰表面的溫度分布，噴霧前后翼型中間測(cè)溫截面的溫度分布曲線(xiàn)如圖16 所示。未噴霧之前，相比基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)上調(diào)20%加熱功率后，翼型表面溫度上升約4 ℃，下調(diào)20%加熱功率后，翼型表面溫度下降約2 ℃。噴霧3 min 后，所有狀態(tài)下翼型表面溫度均有所下降，但依然是上調(diào)20%狀態(tài)時(shí)防冰表面溫度最高，此狀態(tài)下溢流冰起始位置也距離前緣最遠(yuǎn)，如圖17 所示。

圖16 噴霧前和噴霧3 min 后防冰表面溫度曲線(xiàn)(R06，R07)Fig.16 Leading edge skin temperature distributions before spray and after spray(R06，R07)

圖17 不同加熱功率下溢流冰起始位置分布圖Fig.17 Initial location of runback ice accretion at different heat powers

當(dāng)加熱功率下調(diào)20%后，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在溪狀溢流冰生成之后繼續(xù)生成明顯冰脊，提取冰脊生成區(qū)域內(nèi)1#、2#和3#熱電偶的溫度數(shù)據(jù)如圖18 所示。噴霧130 s 后1#熱電偶對(duì)應(yīng)表面溫度Ts低于0 ℃，即加熱區(qū)D的表面溫度開(kāi)始低于0 ℃，這時(shí)加熱區(qū)內(nèi)水滴溢流到此處開(kāi)始凍結(jié)，之后防護(hù)區(qū)內(nèi)的液態(tài)水逐漸在此堆積形成冰脊，冰脊之后不再有水滴往后溢流。

圖18 冰脊區(qū)域翼型表面溫度變化曲線(xiàn)(R07)Fig.18 Wing skin temperature distributions of ice ridge re?gion(R07)

3.4 環(huán)境溫度影響

在研究環(huán)境溫度對(duì)翼型防冰表面溢流冰生成的影響時(shí)，以基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)的環(huán)境溫度為基礎(chǔ)進(jìn)行上下延伸，進(jìn)行了環(huán)境溫度分別為-5 ℃和-9 ℃的防冰試驗(yàn)，即試驗(yàn)狀態(tài)R08 和R09。圖19 為當(dāng)環(huán)境溫度升至-5 ℃時(shí)翼型表面溢流冰情況?？梢钥闯?，約從25%弦長(zhǎng)線(xiàn)開(kāi)始生成溪狀溢流冰，展向集中分布于100～350 mm 區(qū)域內(nèi)；溢流冰高度0.2～1.2 mm；與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)環(huán)境溫度-7 ℃相比，溢流冰的起始位置往后移動(dòng)，生成范圍更廣。當(dāng)環(huán)境溫度降至-9 ℃時(shí)，翼型防冰表面溢流冰生成情況如圖20 所示。翼型前緣防護(hù)區(qū)域內(nèi)有冰覆蓋，說(shuō)明此狀態(tài)下電加熱防冰系統(tǒng)防護(hù)能量不足，未達(dá)到預(yù)期防冰效果。噴霧開(kāi)始時(shí)防護(hù)區(qū)內(nèi)液態(tài)水往后溢流形成溪狀溢流冰，不到1 min 溢流冰起始位置處開(kāi)始形成冰脊，并逐漸覆蓋加熱區(qū)。最終整個(gè)加熱區(qū)內(nèi)生成有間隙的顆粒狀冰脊，呈向前傾斜式生長(zhǎng)，大小不一，高度6～9.6 mm；緊跟冰脊后方的是密集分層的溪狀溢流冰，高度約1.2 mm。

圖19 防冰表面溢流冰(R08)Fig.19 Runback ice accretion details(R08)

圖20 防冰表面溢流冰(R09)Fig.20 Runback ice accretion details(R09)

試驗(yàn)中觀(guān)察到環(huán)境溫度為-9 ℃時(shí)，噴霧1 min左右，防護(hù)區(qū)后方典型溪狀溢流冰前生成顆粒狀冰脊，全部位于加熱區(qū)D內(nèi)，進(jìn)而覆蓋整個(gè)防護(hù)區(qū)。因此提取加熱區(qū)D、B和A對(duì)應(yīng)的測(cè)溫?zé)犭娕?#、3#和5#的溫度變化曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如圖21所示。從圖中可知噴霧40 s 后加熱區(qū)D表面溫度從4 ℃降至0 ℃，此時(shí)防護(hù)區(qū)內(nèi)液態(tài)水溢流至此處開(kāi)始凍結(jié)，隨著噴霧繼續(xù)，加熱區(qū)D表面溫度繼續(xù)下降，凍結(jié)的溢流冰逐漸向防護(hù)區(qū)內(nèi)移動(dòng)，最終覆蓋整個(gè)防護(hù)區(qū)，說(shuō)明此狀態(tài)下電加熱防冰系統(tǒng)失效。

圖21 冰脊區(qū)域翼型表面溫度變化曲線(xiàn)（T=-9 ℃）Fig.21 Wing skin temperature distributions of ice ridge re?gion(T=-9 ℃)

4 結(jié) 論

本文基于中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院FL?61 結(jié)冰風(fēng)洞開(kāi)展了平尾后掠翼型電加熱冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究，針對(duì)結(jié)冰條件風(fēng)速90 m/s，環(huán)境溫度-7 ℃，MVD 20.1 μm ，LWC 1.0 g/m3，噴 霧時(shí)間3 min，利用加熱翼型前緣蒙皮的方法得到所需的相關(guān)溢流冰外形；當(dāng)前緣加熱膜功率密度0.46、0.4 和0.27 W/cm2時(shí)，翼型防冰表面防護(hù)區(qū)后方生成典型溪狀溢流冰，以此為研究基準(zhǔn)狀態(tài)，通過(guò)改變環(huán)境溫度、云霧參數(shù)和電加熱功率條件，觀(guān)察翼型防冰表面溢流冰的凍結(jié)特征，得到以下溢流冰生成的相關(guān)規(guī)律：

（1）當(dāng)MVD 從20.1 μm 增加到30 μm 時(shí)，溢流冰類(lèi)型由溪狀冰變成典型的冰脊；隨著MVD 增大，防護(hù)區(qū)后方溢流冰生成起始位置逐漸往翼型前緣移動(dòng)，溢流冰高度也隨之增加。當(dāng)LWC 從0.45 g/m3增大至1.5 g/m3時(shí)，防護(hù)區(qū)后方均生成典型溪狀溢流冰，生成的起始位置隨著LWC 增大而往后移動(dòng)，溢流冰的溢流長(zhǎng)度也隨之變長(zhǎng)。

（2）防冰表面提供的加熱功率降低后，防護(hù)區(qū)后方生成溢流冰類(lèi)型從溪狀冰轉(zhuǎn)變成冰脊，當(dāng)加熱功率低至一定值后，溢流冰逐漸向防護(hù)區(qū)內(nèi)生成，易導(dǎo)致防冰失效；而當(dāng)加熱功率增加時(shí)，溢流冰生成的起始位置會(huì)向后移動(dòng)，溢流范圍也逐漸增大。

（3）環(huán)境溫度降低時(shí)，若加熱功率不變，翼型防冰表面溢流冰生成的起始位置逐漸向前緣移動(dòng)；環(huán)境溫度繼續(xù)降低時(shí)，溢流水逐漸向防護(hù)區(qū)內(nèi)凍結(jié)，直至覆蓋整個(gè)防護(hù)區(qū)，導(dǎo)致防冰系統(tǒng)失效。