郭騰 張穎 吳敬濤

摘? 要：氣候環(huán)境試驗(yàn)在能力驗(yàn)證試驗(yàn)中占有舉足輕重的地位，我國(guó)這方面的研究依然相對(duì)落后。降雪是典型的自然氣候現(xiàn)象，在降雪過(guò)程中全水含量、均勻性、能見度等參數(shù)是表征降雪強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)和重要指標(biāo)。文章使用一套噴霧系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同的降雪參數(shù)。最后，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)分析并簡(jiǎn)要的提出了全水含量與能見度的簡(jiǎn)單關(guān)系。

關(guān)鍵詞：氣候試驗(yàn);能見度;全水含量;降雪

中圖分類號(hào)：V216.5? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0079-03

Abstract： The climate and environment test plays an important role in the capability verification test， but the research in this area in our country is still relatively backward. Snowfall is a typical natural climate phenomenon. In the process of snowfall， the parameters such as total water content， uniformity and visibility are the key parameters and important indicators to characterize the intensity of snowfall. In this paper， a set of spray system is used to realize different snowfall parameters through parameter adjustment. Finally， the test results are summarized and analyzed， and the simple relationship between total water content and visibility is put forward.

Keywords： climate test; visibility; total water content; snowfall

引言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證試驗(yàn)體系日益成熟。盡管如此，對(duì)于飛機(jī)氣候環(huán)境適應(yīng)性的研究相對(duì)于國(guó)外仍有較大差距，這方面研究相對(duì)比較落后。我國(guó)幅員遼闊，總體氣候環(huán)境也比較復(fù)雜。在我國(guó)大部分地區(qū)降雪在冬季屬于常見的氣候現(xiàn)象。降雪對(duì)于飛機(jī)各項(xiàng)性能有著較大的影響。在外場(chǎng)試飛過(guò)程，降雪氣候可遇而不可求;即使遇到也不能保證數(shù)據(jù)指標(biāo)符合試驗(yàn)要求。相反，實(shí)驗(yàn)室氣候環(huán)境試驗(yàn)?zāi)鼙苊馍鲜鰡?wèn)題。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室降雪試驗(yàn)中的均勻性和全水含量進(jìn)行了研究。

均勻性：降雪區(qū)域與中心位置數(shù)據(jù)偏差。

全水含量（Total Water Content）：?jiǎn)挝豢諝怏w積內(nèi)液態(tài)水與固態(tài)水的總質(zhì)量，其單位為g/m3。

1 研究背景

在航空史上因氣象原因發(fā)生過(guò)很多飛行事故，其中能見度過(guò)低和降雪天氣引起的事故也相對(duì)較多。例如，1990年12月3日下午，兩架美國(guó)西北航空公司的飛機(jī)（波音727-200和麥道DC-9）由于機(jī)場(chǎng)霧氣彌漫，能見度差在機(jī)場(chǎng)跑道上滑行時(shí)相撞。1982年1月13日，波音737-200型飛機(jī)自華盛頓機(jī)場(chǎng)起飛時(shí)因發(fā)動(dòng)機(jī)吸入冰雪導(dǎo)致推力不足失速墜落。

本文中全水含量計(jì)算方法：文中對(duì)全水含量的計(jì)算模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為雪盤上方圓柱體內(nèi)的雪粒直線下落且不與圓柱體外的雪粒有干涉（無(wú)流入無(wú)流出）。基于此模型，全水含量的計(jì)算公式（1）如下：

其中W為雪重量，v為雪粒下落速度，T為降雪時(shí)間，S為降雪圓柱體面積。

2 研究方法

2.1 設(shè)備

本次試驗(yàn)在某氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。該氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)高溫、低溫、太陽(yáng)輻照、淋雨、降雪等多種復(fù)雜的氣候條件。本文降雪采用一套單模塊噴霧系統(tǒng)（如圖1所示），該系統(tǒng)包括可以進(jìn)行水壓調(diào)節(jié)和氣壓調(diào)節(jié)的水源車和氣源車。通過(guò)這一套系統(tǒng)可以將水滴進(jìn)行霧化處理，這樣有利于提高成雪效果;同時(shí)，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)供水壓力和供氣壓力較好地控制雪粒大小。能見度參數(shù)也是本次試驗(yàn)關(guān)注的重要指標(biāo)，試驗(yàn)過(guò)程使用能見度儀對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的能見度數(shù)值進(jìn)行記錄。

2.2 方法

本次試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為-9℃和-2℃兩個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)，對(duì)環(huán)境濕度不做控制要求。開始前設(shè)定一組初始水壓和初始?xì)鈮鹤鳛闇y(cè)量參考值，針對(duì)兩個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行多個(gè)工況的調(diào)節(jié)并計(jì)算全水含量。使用高速攝像機(jī)拍攝記錄雪粒下落速度，用于分析全水含量。對(duì)每個(gè)工況降雪過(guò)程的降雪區(qū)域能見度進(jìn)行觀測(cè)并記錄數(shù)值。降雪目標(biāo)區(qū)域空中放置五個(gè)雪盤接下落的雪方便進(jìn)行稱重和觀察成雪質(zhì)量，雪盤放置位置如圖2所示，用于分析降雪過(guò)程的均勻性。

3 結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)針對(duì)不同條件共進(jìn)行了多個(gè)工況的調(diào)試，因篇幅有限在文中就不一一例舉了。下面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果重點(diǎn)進(jìn)行介紹與分析。

3.1 結(jié)果

本次試驗(yàn)過(guò)程中控制的輸入變量有：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度、噴霧水壓、噴霧氣壓和噴霧水溫。通過(guò)對(duì)上述參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為-9℃時(shí)，成雪效果比較好，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為-2℃時(shí)，由于初始水溫較高，受降落高度影響沒(méi)有足夠的換熱過(guò)程導(dǎo)致成雪效果不理想，如圖4所示。當(dāng)降低噴霧水溫后，獲得了較好的成雪效果，如圖5所示。試驗(yàn)過(guò)程降雪目標(biāo)區(qū)域能見度基本在500m以內(nèi)，如圖5所示。能見度數(shù)據(jù)能夠滿足目前的降雪試驗(yàn)要求。通過(guò)調(diào)節(jié)噴霧水壓，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域全水含量3g/m3。

3.2 結(jié)果分析

本文對(duì)能見度與全水含量關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，如圖6所示。圖中點(diǎn)為能見度數(shù)值與全水含量測(cè)量點(diǎn)。雖然數(shù)據(jù)量較少，但可以看出全水含量與能見度數(shù)值呈正相關(guān)關(guān)系，及全水含量越高能見度越低。

相比于環(huán)境溫度為-2℃時(shí)，環(huán)境溫度為-9℃時(shí)成雪效果更好。原因也是顯而易見的，溫度低更有利于進(jìn)行熱交換，從而獲得更好的結(jié)晶（成雪）效果。受氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部構(gòu)造影響，降溫循環(huán)風(fēng)導(dǎo)致降雪目標(biāo)區(qū)域流場(chǎng)分布不均勻。受流場(chǎng)分布的影響，雪粒下落路徑產(chǎn)生偏移，從而導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域均勻性較差。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂曉輝.風(fēng)雪兩相流的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[D].蘭州大學(xué)，2012.

[2]中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.

[3]GB/T35229-2017.地面氣象觀測(cè)規(guī)范雪深與雪壓[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[4]Mark Gordon，Peter A Taylor.Measurements of blowing snow， Part Ⅰ：Particle shape，size distribution，velocity，and number flux at Churchill，Manitoba，Canada[J].Cold Regions Science and Technology，2009（55）：63-74.

[5]Mark Gordon，Peter A Taylor.Measurements of blowing snow， Part Ⅱ：Mass and number density profiles and saltation height at Franklin Bay，NWT，Canada[J].Cold Regions Science and Technology，2009（55）：75-85.