過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參數的計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參數的計算方法，目的在于解決現有過冷小水滴的結冰試驗參數選取方法用于過冷大水滴結冰實驗的效果不好，通過飛機的縮比模型上的結冰無法反映真實結冰的情況的問題。本發明在確定模型與真實飛機的縮比關系后，根據理論推導與數值計算的方法，對應于真實的結冰飛行條件，依次給出風洞試驗段的空氣速度、水滴平均粒徑、空氣壓強、液態水含量、結冰時間、過冷水低溫度這幾個實驗參數。根據換算得到的試驗參數，進行飛行器結冰風洞實驗，試驗結果與真實結果能夠滿足結冰過程的主要特征的相似要求。可見，采用本發明的計算方法能夠得到用于結冰風洞試驗中的模型參數，相應參數用于結冰風洞實驗能夠反映真實結冰的情況。
【專利說明】過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參數的計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空航天領域，具體為一種過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參 數的計算方法。
【背景技術】
[0002] 飛機在低于冰點的溫度下飛行時，如果遇到含有過冷水滴（過冷水滴是指溫度低 于冰點但仍保持液態的水滴）的云層，云層中的水滴撞擊在飛機表面上，就會在碰撞區域 及其附近發生結冰現象。飛機結冰是飛行實踐中廣泛存在的一種現象，也是造成飛行安全 事故的主要隱患之一。過冷大水滴（英文全稱Supercooled Large Droplets，通常簡稱為 SLD)泛指直徑大于50 μ m的液態過冷水滴。
[0003] 結冰風洞作為進行飛機結冰研究的主要設備，其在建成后，要進行試驗，必須要有 試驗參數的選取方法，使得試驗結果與真實結果滿足相似性。這是由于進行結冰風洞試驗， 會遇到如下兩方面的限制：1)受風洞尺寸的限制，飛機部件的尺寸往往太大，而結冰風洞 試驗段的尺寸相對較小，不能滿足進行全尺寸試驗的需求，通常只能在縮比的模型上進行 試驗；2)受試驗條件的限制，實際的飛行條件和結冰氣象參數范圍很寬，如速度、高度、水 滴直徑、液態水含量等，然而由于制造工藝和設備模擬能力的限制，在結冰風洞內要同時完 全達到這些條件是不可能的。通過試驗參數的適當選取，使得在結冰風洞能夠模擬的范圍 內，選取合適的試驗條件，最終使縮比模型上的結冰（通常稱為縮比結冰）能夠反映真實結 冰（通常稱為參考結冰）的情況，是突破以上限制的有效辦法。
[0004] 現有結冰試驗參數選取主要針對過冷小水滴結冰，而SLD結冰與常規小水滴結冰 過程有較大的區別，如SLD結冰過程相比于常規水滴有顯著的水滴變形、破碎、飛濺等動力 學效應，因此無法將現有結冰試驗參數選取方法用于SLD結冰模型參數的計算中。
[0005] 經過試驗驗證，針對過冷小水滴的結冰試驗參數選取方法直接應用于SLD結冰實 驗效果不好，而目前也沒有能用于SLD條件下的結冰風洞參數的換算方法。
【發明內容】
[0006]本發明的發明目的在于：針對現有過冷小水滴的結冰試驗參數選取方法用于過冷 大水滴結冰實驗的效果不好，通過飛機的縮比模型上的結冰無法反映真實結冰的情況的問 題，提供一種過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參數的計算方法。本發明在理論建模 與數值模擬基礎上，采用相似理論中的量綱分析等方法，著重于抓住飛行器結冰過程的主 要特征，建立了一種結冰風洞的試驗參數換算方法，即一種結冰風洞試驗中模型參數的計 算方法。本發明在確定模型與真實飛機的縮比關系后，根據理論推導與數值計算的方法，對 應于真實的結冰飛行條件，依次給出風洞試驗段的空氣速度、水滴平均粒徑、空氣壓強、液 態水含量、結冰時間、過冷水低溫度這幾個實驗參數。根據換算得到的試驗參數，進行飛行 器結冰風洞實驗，經測定：試驗結果與真實結果能夠滿足結冰過程的主要特征的相似要求。 可見，采用本發明的計算方法能夠得到用于結冰風洞試驗中的模型參數，相應參數用于結 冰風洞實驗能夠反映真實結冰的情況，具有顯著的進步意義。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0008]過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參數的計算方法，包括如下步驟：
[0009]( -）根據被模擬物的要求，確定被模擬物的真實外形和真實氣象條件，所述真實 外形和真實氣象條件包含以下七個參數：真實外形特征長度Lf、飛行速度Vf、空氣中的過冷 水滴直徑d f、大氣壓強Pf、空氣中的液態水含量LWCf、結冰總時間tf、來流溫度T f ;
[0010](二）將被模擬物的外形按照比例縮小，制作一個與被模擬物幾何相似的物理模 型；
【權利要求】
1.過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參數的計算方法，包括如下步驟： (一） 根據被模擬物的要求，確定被模擬物的真實外形和真實氣象條件，所述真實外形 和真實氣象條件包含以下七個參數：真實外形特征長度Lf、飛行速度Vf、空氣中的過冷水滴 直徑df、大氣壓強Pf、空氣中的液態水含量LWCf、結冰總時間tf、來流溫度Tf; (二） 將被模擬物的外形按照比例縮小，制作一個與被模擬物幾何相似的物理模型； (三） 根據步驟二制備的物理模型，確定物理模型的模型特征長度Lm，根據模型特征長 度Lm和真實外形特征長度Lf，得到實驗的縮比數，縮比數的值為
(四） 計算撞擊因子Ki,計算公式如下：
，該式中，Pd為水密度，〇d為水表面張力系數，Ud為水粘性系數， Dd為水滴直徑，V為來流速度，根據真實氣象條件，計算得到Ki的值； (五） 根據步驟四得到的Ki值，采用如下公式得到判斷因子e的值：
(六） 根據步驟一中的Vf、步驟四得到的
.步驟五得到的e的值，采用如下公式計 算得到實驗需要的速度Vm:
(七） 根據步驟一中的Vf、步驟四得到的
、步驟五得到的e的值，采用如下公式計 算得到實驗需要的過冷水滴直徑dm:
(八） 由于在開氏溫標下，實驗需要的溫度和真實溫度相差相近，令
的初始值為1 ; (九） 采用如下公式計算實驗需要的壓強Pm :
(十）采用如下公式計算，得到實驗需要的液態水含量LWCm :
(十一）采用如下公式計算，得到實驗需要的結冰總時間tm :
2.根據權利要求1或2所述過冷大水滴條件下結冰風洞試驗中模型參數的計算方法， 其特征在于，所述步驟十三中，當Ts < 0. 000001，則Tm =T'm，所得到的Lm即為實驗需要 的模型特征長度，所得到的Vm即為實驗需要的飛行速度，所得到的dm即為實驗需要的過冷 水滴直徑，所得到的Pm即為實驗需要的大氣壓強，所得到的LWCm即為實驗需要的液態水含 量，所得到的tm即為實驗需要的結冰總時間，所得到的Tm即為實驗需要的來流溫度。
【文檔編號】G06F19/00GK104268399SQ201410495704
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月24日 優先權日:2014年9月24日
【發明者】周志宏, 易賢, 桂業偉, 朱國林, 王勛年 申請人:空氣動力學國家重點實驗室