结冰风洞高度模拟能力评估

飞机结冰是飞行实践中广泛存在的一种现象,也是造成飞行安全事故的主要隐患之一.结冰风洞是开展飞机结冰研究的重要设备,通过在结冰风洞内制造结冰气象条件,对真实结冰现象进行模拟.本文针对飞机结冰主要发生在从地面到7 000 m高度的大气环境之内这一客观情况,对设计中的某型结冰风洞是否能够在地面模拟高空低压环境下的结冰问题进行了研究,以决定该风洞是否需配置调压设备.采用结冰试验相似准则对该风洞的高度模拟能力进行了评估,考查了温度、水滴直径、液态水含量及速度等参数的设计指标是否满足模拟高空结冰的试验要求.研究发现.试验模型缩比是限制结冰风洞模拟水滴直径和液态水含量能力的主要因素,高度的增加不会导致对水滴直径和液态水含量的模拟超过风洞的设计能力;只要采用不小于0.1的模型缩比进行试验,即使不增加调压设备,以现有的温度、水滴直径、液态水含量以及速度等参数的设计指标,该风洞也具备了模拟7 000m膏度飞机结冰的能力.     

高速列车转向架结冰特性风洞实验研究

风雪严寒环境导致转向架区域冰雪大量堆积,严重威胁高速列车行驶安全.为分析风雪严寒天气下转向架的结冰特性,采用包含简化车体和动力转向架的缩比模型,在中南大学轨道车辆积雪结冰风洞开展了高速列车转向架结冰实验研究.采用喷水系统模拟制动夹钳周围融水产生的喷水现象,以再现轮对甩水致转向架结冰过程.研究转向架区域动态结冰过程和整体结冰分布特性、各关键区域的结冰质量占比权重以及转向架结冰速率模型.研究结果表明：轮对甩出的水滴受紊乱流场作用扩散至转向架各个区域,在低温下结冰并随时间迅速发展,直至整个转向架区域被冰层覆盖;对于转向架舱,其后端板结冰严重,结冰质量占转向架舱结冰总质量的28%;对于转向架,构架和制动夹钳区域结冰分布最多,分别占转向架结冰总质量的34%和22%,空气弹簧、横梁和纵梁结冰分布较少,转向架呈现出底部结冰量大、结冰形状复杂的特性.随着结冰时间增加,各区域结冰速率不同,转向架舱、转向架的结冰总质量与结冰时间呈一次函数关系.研究获得的转向架结冰特性和结冰速率模型,可对一定运行时间内转向架结冰质量快速预测提供参考依据,对风雪环境下高速列车安全运行和转向架防除冰具有重要指导意义.     

环境结冰试验中液态水滴传热特性

航空发动机环境结冰试验时,使用二元喷嘴将纯水雾化成液态水滴,液态水滴喷出后与发动机进气发生传热过程,到达发动机进口前需达到过冷状态,从而在发动机进口处结冰。研究了液态水滴与主气流间传热过程,建立了液态水滴运动方程和传热方程,编制了液态水滴传热特性分析软件,并研究了不同参数对液态水滴过冷位移的影响,计算了军用和民用航空发动机环境结冰试验时的最短喷雾距离。结果表明:液态水过冷位移与液态水滴直径的平方以及气流速度基本呈线性关系;在1.6 m喷雾距离下,液态水滴能达到过冷状态,且和气流两相温差不超过2℃。     

典型风力机翼型结冰特性分析

针对风力机叶片的结冰会严重影响风电机组的功率输出、危害风电机组的安全运行的情况,采用计算流体力学方法研究了典型的风力机翼型的结冰特性。首先,对攻角分别为0°,4°,8°的NACA0012翼型水滴撞击特性进行了计算,计算结果与文献实验结果吻合良好,表明了计算方法的正确性。在此基础上,对不同风速和不同温度下的典型风力机叶片表面的覆冰进行了模拟研究,得到了水收集系数和结冰厚度随温度和速度的变化趋势。结果表明:风速增加导致叶片表面结冰厚度增加,结冰附着面积增加;温度降低导致叶片表面结冰厚度增加;S801翼型的抗冰效果明显大于S802翼型的抗冰效果。研究结果有利于在低温环境中合理选择翼型,为降低叶片结冰危害程度提供参考。     

基于径向基函数的结冰收集率计算的两级插值方法

为提高飞机结冰数值模拟中粒子轨迹计算的效率,基于拉格朗日方法,提出了两级插值方法。第一级插值为收集率插值,根据水滴轨迹在壁面撞击位置的收集率,采用径向基函数插值计算所有网格的收集率;第二级插值为轨迹插值,把水滴从远场运动撞击到壁面过程分为两个部分,在距机翼较远位置计算少量水滴轨迹,在壁面附近位置加密计算大量水滴轨迹。采用收集率插值时,由于结冰累积,线性插值或者高阶样条插值方法在遮蔽区内插值不准确,引入径向基函数插值来解决该问题。给出的算例表明,两级插值方法能够极大的提高拉格朗日法计算收集率的效率,径向基函数插值能够避免遮蔽区内插值不准确的问题。     

机翼表面结冰数值模拟

分别采用欧拉-拉格朗日模型和多孔介质模型建立了空气绕流机翼流动、空气夹带过冷水滴运动和机翼表面冰层增长的数理模型,并进行了数值求解.获得空气绕流机翼流场、空气夹带的过冷水滴运动轨迹、机翼表面过冷水滴的收集系数分布、冰层厚度分布和冰层质量增长情况,并分析了攻角和过冷水滴直径等因素的影响.结果表明:水滴收集系数随着攻角和水滴平均直径的增大而增大;冰层覆盖整个机翼的前半部上下表面,以驻点附近最为集中,随时间增长而愈严重;随着功角增大,下表面积冰加重;但当攻角为15°时,总体结冰量却较之低攻角时减小.     

SLD碰撞-结冰收集率分布经验模型

目前的民机结冰适航规范中,大粒径过冷水滴(supercooled large droplet, SLD)结冰环境尚未得到规定,准确预测飞机在SLD条件下的积冰对完善适航规范有重要意义。考虑SLD碰撞-结冰过程中的扩散及流动效应,通过对单个SLD碰撞金属铝表面的实验,研究SLD的碰撞－结冰过程,提出了一个考虑结冰环境及SLD特征因子的结冰收集率经验模型(collection efficiency distribution, CED),并将该模型应用于二维翼型积冰模拟中,分析SLD条件下的积冰特征。在SLD条件下,考虑了CED模型的翼型积冰模拟相比之前的模拟有了较大改进。     

民用飞机结冰探测器安装位置研究

本文从结冰探测器安装位置的重要性出发,阐述了结冰探测器安装位置要求和相应的分析方法。采用欧拉方法对某型飞机的结冰探测器安装位置进行了校核,通过三维流场和水滴撞击特性分析,得到机头部位的LWC分布,定义了水滴遮蔽区,对比了探头高度与水滴遮蔽高度,结果表明各飞行状态下过冷水滴能够撞击到结冰探测器探头上;对比了飞机在正负极限攻角下的结冰探测器和大气数据传感器流线,表明结冰探测器与大气传感器不会发生气动干扰。     

大粒径过冷水滴碰撞-结冰收集率分布经验模型

目前的民机结冰适航规范中,大粒径过冷水滴(supercooled large droplet,SLD)结冰环境尚未得到规定,准确预测飞机在SLD条件下的积冰对完善适航规范有重要意义。考虑SLD碰撞-结冰过程中的扩散及流动效应,通过对单个SLD碰撞金属铝表面的实验,研究SLD的碰撞-结冰过程,提出了一个考虑结冰环境及SLD特征因子的结冰收集率经验模型(collection efficiency distribution,CED);并将该模型应用于二维翼型积冰模拟中,分析SLD条件下的积冰特征。在SLD条件下,考虑了CED模型的翼型积冰模拟相比之前的模拟有了较大改进。     

两种改善汽车风洞轴向静压系数的方法

改善轴向静压系数对提高汽车风洞实验段流场品质具有重要意义.实验与数值模拟均发现,增加收集口角度或增加收集口喉部间隙都能有效改善汽车风洞实验段轴向静压系数,而且收集口角度越大或喉部间隙越大,轴向静压系数改善效果越明显.另外,实验还比较了单独增加收集口角度、收集口喉部间隙以及收集口角度和喉部间隙组合后对轴向静压系数的影响,旨在为全尺寸汽车风洞改善轴向静压系数提供依据.     

结冰风洞绝热系统设计与实现

结冰风洞是研究飞行器表面结冰机理和防除冰方法的试验设备。典型的结冰风洞采用风扇或压缩机驱动的连续式风洞结构;并且一般设计有洞体绝热系统。绝热系统对结冰风洞性能、运行经济性等方面具有重要影响。通过总结某结冰风洞绝热系统的研制和使用经验,着重分析了结冰风洞绝热系统的传热计算方法和结构设计方案;并且通过实验研究对绝热系统的性能进行了验证。     

建筑群不均匀性对拖曳力影响的风洞测压实验

针对建筑群不均匀性缺乏系统的研究方法以及多数处于定性研究的现状,从建筑几何结构的形态学角度出发,采用迎风面积指数、平面面积指数、形状指数和综合非直线系数表达建筑群的不均匀性.风洞实验中采用刚性模型测压的方法进行建筑表面压力的测量,并设计了悬浮实验平台直接测量整个区域所受的拖曳力.实验结果表明,分布在较大平面区域内各建筑的单体拖曳力系数沿风向的变化趋势近似为一条热容模式的衰减曲线;利用有代表性的建筑表面压力测量结果求取的整个区域拖曳力系数和基于拖曳力直接测量的拖曳力系数具有相同的趋势,但普遍大10%~20%;对比可知,地面粗糙度改变对模型表面风压差系数的分布影响不显著,综合非直线系数为1.332 5的工况较1.177 5的工况拖曳力系数减小约17.7%,H型建筑表面风压差系数分布与矩形建筑不同,其对气流的强烈作用造成拖曳力系数约34.6%的增加.     

冬季管廊逃生口对廊内水管结冰的影响

为保证冬季综合管廊综合舱（水舱）水管的正常运行,对北京某管廊逃生竖井的温度进行了实验测试,并用数值模拟研究了地域、逃生口直径、埋深对逃生竖井下方管廊内温度的影响。结果表明：综合管廊综合舱内的温度受地域（冻土层深度和地下土壤温度）影响较大,并且与外界环境有着密切的关系,外界环境温度每降低5 ℃,温度最大降低1.7 ℃;逃生竖井下方廊内温度与逃生口直径呈负相关、与逃生竖井的埋深呈正相关,直径每增加0.2 m,温度最多降低0.6 ℃,埋深每增加0.5 m,温度最多升高0.4 ℃;对于严寒地区有必要采取双层井盖或保温井盖的措施,采用双层井盖时,第二层井盖设置在冻土层深度处时对廊内保温效果最好,最大温度相差4.9 ℃;综合舱两边靠上的区域相较于其他位置温度较高,最大温差可达1.64 ℃,故水管应放在舱内两边靠上的位置。研究结论为管廊的设计和运维提供参考价值。     

风电机组风洞测试的阻塞效应分析

风洞测试具有方便、快捷和高效的优势,在风电机组输出功率特性测试中应用较多。测试风轮直径较大时,由于存在风洞堵塞效应,会对测试结果造成影响。以300 W风电机组作为研究对象,分别采用风洞测试和车载测试进行输出功率特性测试。测试过程采用负载法,分别以电阻和蓄电池作为负载进行测试。在风洞截面为3m×3m的试验段中测试,机组空载启动风速为4.3m/s~4.8m/s,以电阻为负载时的额定风速为6.2 m/s;在车载测试中,机组空载启动风速为5.7m/s~6.2m/s,以电阻为负载时的额定风速为8.1 m/s。风洞测试比车载测试的启动风速低1.4 m/s,占车载测试启动风速的24.6 %,比车载测试额定风速低1.9 m/s,占车载测试额定风速的23.5 %。风轮直径2.3 m,其扫掠面积占风洞试验段截面面积的46.2 %,风洞的堵塞效应较大,致风洞测试数据与车载测试数据相差较大,因此风洞测试后需要修正。     

高超声速风洞进气道流量系数测量精度影响因素研究

进气道是飞行器动力装置的重要组成部分,准确测量进气道流量系数是进气道风洞试验的重要内容。对来流马赫数Ma=4.5,5.0和6.0状态下皮托管进气道开展流量系数测量研究,通过对比理论值和实测值,获取各状态流量系数修正系数。试验结果表明,随着来流马赫数增加,进气道流量系数与理论值偏差较明显,并逐渐增大。超声速风洞试验通常认为测量截面总温与来流总温相等,通过对测量截面总温与来流总温偏差以及测量截面流场畸变情况的分析,判断测量偏差主要是由测量截面总温等于来流总温的假设导致的。在高超声速风洞试验中,由于模型壁面热交换的存在,测量截面总温低于来流总温,进气道流量系数测量时需要进行总温修正,以提高流量测量精度。      

短周期风洞叶栅端壁换热试验研究

实验对短周期风洞中无气膜孔和带气膜孔时涡轮叶片端壁的换热做了实验研究,得出了无气膜孔端壁换热系数和叶栅入口雷诺数、出口马赫数之间的变化关系,另外得出了带气膜孔端壁在不同的叶栅入口雷诺数、出口马赫数、流量比时对换热系数的影响。实验结果表明：无气膜孔端壁上的换热系数分别在不同的叶栅入口雷诺数和出口马赫数下有着明显的变化;带气膜孔端壁上换热系数随流量比和叶栅入口雷诺数的增大而增大,而在低流量比时马赫数对端壁换热系数没有明显的影响。     

上海东方艺术中心风荷载试验

介绍了上海东方艺术中心模型风洞试验概况和主要结果 .给出了屋面在最不利工况下的分块体型系数及平均风压系数的等值线图 ,清楚地显示了此大跨度屋盖结构屋面的风压分布特征 .结果表明 ,周边建筑对所测建筑的风荷载有较大的干扰影响 .最后对分别按规范 (基于平均风压 )和应用统计方法 (基于平均风压和脉动风压 )计算的用于玻璃幕墙设计的风压结果进行了比较 ,结果表明 ,按规范计算的最不利风荷载偏小 ,对此应引起注意     

ICAS车身造型方法的风洞试验研究

为了对基于气动新理论模型的车身造型方法（ＩＣＡＳ方法）进行检验并为可能需要的修正提供依据,设计了相应的试验方案,制作了试验模型,开展了风洞试验研究。试验结果及其分析表明,采用ＩＣＡＳ方法可以方便地获得主要气动性能指标优于现代常规轿车的实用车身造型,同时也验证了该方法的先进性与实用性。