李秋捷

【摘 要】結(jié)冰現(xiàn)象是飛機(jī)在飛行中普遍發(fā)生的現(xiàn)象，會(huì)對(duì)飛機(jī)的性能和操縱性造成不利的影響，比如說(shuō)升力系數(shù)的下降，阻力的上升，俯仰性能的變化。研究飛機(jī)結(jié)冰過(guò)程以及結(jié)冰后氣動(dòng)性能的變化一系列冰風(fēng)洞試驗(yàn)有著不可取代的必要性。由于冰風(fēng)洞中能模擬的試驗(yàn)條件有限，就要用到結(jié)冰相似參數(shù)的轉(zhuǎn)換來(lái)在冰風(fēng)洞中得到與在真實(shí)飛行中相似的流場(chǎng)及相似的液滴軌跡等條件。本文主要結(jié)合現(xiàn)代民機(jī)冰風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)梳理和研究實(shí)用的相似參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，得到一系列公式體系，使冰風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)條件能夠滿足實(shí)際飛行參數(shù)包線。

【關(guān)鍵詞】結(jié)冰；結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)；參數(shù)轉(zhuǎn)換

【Abstract】Icing is a universal phenomenon during Civil Aircrafts flying，and it will poses a hazard both to performance and controllability of an aircraft.For example，the descend of lift coefficient，the ascend of drag and the changing of the pitching performance.There is significant necessity to do Icing Wind Tunnel test to analysis the icing process and the variation of the aerodynamic performance after icing.The similarity parameter scaling is needed to gain the similar flowfield and drop trajectory with the real flight situation because there are many limitations in the Icing Wind Tunnel test. In this paper，few scaling methods will be discussed combine with the modern civil aircraft Icing Wind Tunnel test，few series of equations will be derived and to make sure that the Icing Wind Tunnels test condition can match the real flight parameter envelop.

【Key words】Icing；Icing Wind Tunnel Test；Scaling Methods

0 引言

1）結(jié)冰簡(jiǎn)介

結(jié)冰無(wú)論對(duì)于在地面待飛的還是起飛后的飛機(jī)都會(huì)造成危險(xiǎn)。在地面上由于降水的凝固，冰會(huì)在飛機(jī)的上表面積累。結(jié)冰層有時(shí)候可能會(huì)難以察覺(jué)但是因?yàn)樗鼤?huì)使阻力上升升力下降，所以會(huì)對(duì)起飛產(chǎn)生更多的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)飛機(jī)飛過(guò)過(guò)冷云層時(shí)就會(huì)導(dǎo)致飛行中的結(jié)冰。當(dāng)水在低于零攝氏度時(shí)依然以液體的狀態(tài)存在，這種現(xiàn)象叫做過(guò)冷。當(dāng)周?chē)h(huán)境的溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，云層中懸浮的水滴常會(huì)處于過(guò)冷狀態(tài)。當(dāng)過(guò)冷水碰撞表面時(shí)它們就會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致的冰增加會(huì)讓飛機(jī)面臨危險(xiǎn)。飛機(jī)飛過(guò)過(guò)冷云層時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口前端、機(jī)尾平面、機(jī)翼或方向舵和儀器的探測(cè)器上都會(huì)受影響而形成冰層。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口結(jié)冰會(huì)扭曲進(jìn)入的空氣，掉下的冰塊進(jìn)入壓氣機(jī)會(huì)損壞葉片，燃燒室也可能會(huì)有突然冒火焰的現(xiàn)象。在氣動(dòng)面上結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致升力逐漸下降和阻力的增加。

2）相似參數(shù)轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)介

為了確定結(jié)冰對(duì)飛機(jī)部件性能的影響，飛機(jī)和部件制造商必須非常徹底的測(cè)試新產(chǎn)品。這種測(cè)試會(huì)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中進(jìn)行，同時(shí)也是為了驗(yàn)證某些性能。飛行測(cè)試也是非常必要的，但是非常的昂貴而且只有在大氣中存在結(jié)冰環(huán)境的情況下才能進(jìn)行。更進(jìn)一步說(shuō)，要找到極端的液滴尺寸以及滿足測(cè)試包線的液態(tài)水對(duì)時(shí)間的消耗是非常大的。冰風(fēng)洞可以用噴水和冷卻系統(tǒng)來(lái)模擬自然結(jié)冰，同時(shí)也能控制云層狀態(tài)、溫度和流速來(lái)使試驗(yàn)安全、方便和相對(duì)的經(jīng)濟(jì)。一些升力和阻力變化的測(cè)量也可以在冰風(fēng)洞中進(jìn)行，同時(shí)冰型也會(huì)得到記錄。了解了給定的模擬飛行和云層情況之后進(jìn)行的試驗(yàn)得到的冰型，研究人員可以得到更加準(zhǔn)確的不管是實(shí)際飛行中還是氣動(dòng)風(fēng)洞中的有關(guān)氣動(dòng)損失的信息。在機(jī)翼的前緣附上一層和冰型一樣的某種材料（木材，塑料等）可以實(shí)現(xiàn)上述的研究。

1 幾種相似參數(shù)轉(zhuǎn)換的方法

準(zhǔn)確的相似參數(shù)轉(zhuǎn)換需要保證幾何相似，流場(chǎng)相似以及液滴軌跡的相似，相似參數(shù)的轉(zhuǎn)換有的對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有的對(duì)模型尺寸進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在民用客機(jī)冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究中相似參數(shù)的轉(zhuǎn)換主要圍繞著試驗(yàn)條件的轉(zhuǎn)換。首先需要的是一系列直接能得到的作為參考的基礎(chǔ)條件包括：前緣直徑（兩倍前緣半徑）d，溫度tst，壓力pst，風(fēng)速V，液滴直徑（MVD）？啄，液態(tài)水含量LWC，以及暴露結(jié)冰時(shí)間？子等。根據(jù)這些條件能計(jì)算出響應(yīng)的參數(shù)包括：馬赫數(shù)M，慣性參數(shù)K0，積聚系數(shù)Ac，凝結(jié)率n0，液滴能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，空氣能量轉(zhuǎn)化系數(shù)？茲，雷諾數(shù)Re，韋伯?dāng)?shù)We，駐點(diǎn)收集率？茁0等。然后根據(jù)試驗(yàn)條件的限制，得到新的一組試驗(yàn)基礎(chǔ)條件，然后對(duì)應(yīng)需要匹配的相似參數(shù)，來(lái)確定剩下基礎(chǔ)條件的值。

在過(guò)去的30多年中，來(lái)自世界各地的不同學(xué)者對(duì)冰風(fēng)洞試驗(yàn)中的相似參數(shù)轉(zhuǎn)換有了很多的研究，對(duì)原始條件下和相似轉(zhuǎn)換后的條件下的冰型進(jìn)行比較，形成了很多種不同的相似參數(shù)轉(zhuǎn)換的思路，有的已經(jīng)被發(fā)布并且廣泛的應(yīng)用。具體內(nèi)容見(jiàn)表1[1]。

1.1 試驗(yàn)條件的相似轉(zhuǎn)換

由于試驗(yàn)風(fēng)洞或其他設(shè)施的一些原因，試驗(yàn)的溫度（t），壓力（p），風(fēng)速（V），液滴直徑（？啄），液態(tài)水含量（LWC）等條件會(huì)受到一些限制，和理想狀態(tài)之間會(huì)有一定的差異，這就需要我們對(duì)它們進(jìn)行相似轉(zhuǎn)換以使得它們處于試驗(yàn)設(shè)備的容許范圍之內(nèi)。

轉(zhuǎn)換試驗(yàn)條件的方法可以在表2[1]中找到，這里建議用表1中的Olson的方法來(lái)轉(zhuǎn)換液態(tài)水含量LWC或是溫度tst。表中字母的含義和表1[1]中的相同。

1.2 模型尺寸的相似轉(zhuǎn)換

由于試驗(yàn)風(fēng)洞或設(shè)備的限制，試驗(yàn)的模型可能需要進(jìn)行縮小。這里要用到相關(guān)模型尺寸的相似轉(zhuǎn)換來(lái)使轉(zhuǎn)換后的模型上產(chǎn)生的冰型和全尺寸模型或是參考的模型尺寸上產(chǎn)生的冰型也相似。表3[1]包括了比較常用的三種方法來(lái)得到相應(yīng)縮比模型尺寸下的試驗(yàn)條件。模型的幾何外形和攻角都沒(méi)有變化。

2 相似轉(zhuǎn)換的應(yīng)用

2.1 冰風(fēng)洞試驗(yàn)面臨的試驗(yàn)參數(shù)問(wèn)題

2.1.1 風(fēng)洞模型試驗(yàn)狀態(tài)與全機(jī)實(shí)際飛行狀態(tài)之間的區(qū)別

冰風(fēng)洞試驗(yàn)初步選取的試驗(yàn)狀態(tài)是根據(jù)結(jié)冰參數(shù)敏感性分析、確定臨界冰形思路及相關(guān)試航條例要求，并基于三維全機(jī)飛行狀態(tài)制定的，但在冰風(fēng)洞中進(jìn)行二維模型或局部三維模型的結(jié)冰試驗(yàn)，兩者試驗(yàn)條件是有所不同的。

2.1.2 冰風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰霸囼?yàn)參數(shù)限制

為了使冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際飛行的結(jié)冰情況一致，應(yīng)采用全尺寸（1：1）的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯?duì)應(yīng)的結(jié)冰條件下進(jìn)行試驗(yàn)，但冰風(fēng)洞的實(shí)際模擬能力限制了這種理想方法的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閷?shí)際的結(jié)冰氣象條件和飛機(jī)飛行條件參數(shù)范圍很寬，由于制造工藝和設(shè)備的限制，在冰風(fēng)洞內(nèi)不可能完全實(shí)現(xiàn)這些條件。

2.2 計(jì)算過(guò)程淺析

2.2.1 模型尺寸的相似轉(zhuǎn)換

基于適航條例[2]里的相關(guān)規(guī)定，我們研究等韋伯?dāng)?shù)的Ruff的方法。首先需要一系列轉(zhuǎn)換前的參考參數(shù)，包括cR，tst.R，ptot，VR，？啄R，LWCR，？子R等參數(shù)。隨后需要用這些基本的參數(shù)來(lái)計(jì)算得到一系列相關(guān)的參數(shù)供之后的相似轉(zhuǎn)換使用（具體參數(shù)將在轉(zhuǎn)換過(guò)程中提到）。

2.2.2 基于民機(jī)風(fēng)洞試的驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)換

民用飛機(jī)的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)主要的關(guān)注的區(qū)域就是機(jī)翼前緣位置。結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的模型一般采用等效弦長(zhǎng)的混合翼設(shè)計(jì)方法，來(lái)保證前緣的壓力分布以及液滴的軌跡以及理想的模型尺寸。具體方法在這里不具體展開(kāi)，混合翼的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1[8]。

3 小結(jié)

本文結(jié)合現(xiàn)代民用飛機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀，介紹了結(jié)冰現(xiàn)象以及結(jié)冰的研究在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中的重要的地位。冰風(fēng)洞試驗(yàn)作為研究飛機(jī)結(jié)冰特性的重要手段在民用大型客機(jī)研發(fā)中被普遍的使用，而結(jié)冰參數(shù)轉(zhuǎn)換則是冰風(fēng)洞試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，有著其不可回避的必要性。文中先梳理和介紹了當(dāng)今世界參數(shù)轉(zhuǎn)換方法研究的成果，之后結(jié)合國(guó)內(nèi)民機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的相關(guān)情況，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的參數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程介紹。計(jì)算過(guò)程可以作為后續(xù)相關(guān)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的參考。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]