[发明专利]过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体为一种过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法。

背景技术

飞机在低于冰点的温度下飞行时，如果遇到含有过冷水滴(过冷水滴是指温度低于冰点但仍保持液态的水滴)的云层，云层中的水滴撞击在飞机表面上，就会在碰撞区域及其附近发生结冰现象。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。过冷大水滴(英文全称Supercooled Large Droplets，通常简称为SLD)泛指直径大于50μm的液态过冷水滴。

结冰风洞作为进行飞机结冰研究的主要设备，其在建成后，要进行试验，必须要有试验参数的选取方法，使得试验结果与真实结果满足相似性。这是由于进行结冰风洞试验，会遇到如下两方面的限制：1)受风洞尺寸的限制，飞机部件的尺寸往往太大，而结冰风洞试验段的尺寸相对较小，不能满足进行全尺寸试验的需求，通常只能在缩比的模型上进行试验；2)受试验条件的限制，实际的飞行条件和结冰气象参数范围很宽，如速度、高度、水滴直径、液态水含量等，然而由于制造工艺和设备模拟能力的限制，在结冰风洞内要同时完全达到这些条件是不可能的。通过试验参数的适当选取，使得在结冰风洞能够模拟的范围内，选取合适的试验条件，最终使缩比模型上的结冰(通常称为缩比结冰)能够反映真实结冰(通常称为参考结冰)的情况，是突破以上限制的有效办法。

现有结冰试验参数选取主要针对过冷小水滴结冰，而SLD结冰与常规小水滴结冰过程有较大的区别，如SLD结冰过程相比于常规水滴有显著的水滴变形、破碎、飞溅等动力学效应，因此无法将现有结冰试验参数选取方法用于SLD结冰模型参数的计算中。

经过试验验证，针对过冷小水滴的结冰试验参数选取方法直接应用于SLD结冰实验效果不好，而目前也没有能用于SLD条件下的结冰风洞参数的换算方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有过冷小水滴的结冰试验参数选取方法用于过冷大水滴结冰实验的效果不好，通过飞机的缩比模型上的结冰无法反映真实结冰的情况的问题，提供一种过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法。本发明在理论建模与数值模拟基础上，采用相似理论中的量纲分析等方法，着重于抓住飞行器结冰过程的主要特征，建立了一种结冰风洞的试验参数换算方法，即一种结冰风洞试验中模型参数的计算方法。本发明在确定模型与真实飞机的缩比关系后，根据理论推导与数值计算的方法，对应于真实的结冰飞行条件，依次给出风洞试验段的空气速度、水滴平均粒径、空气压强、液态水含量、结冰时间、过冷水低温度这几个实验参数。根据换算得到的试验参数，进行飞行器结冰风洞实验，经测定：试验结果与真实结果能够满足结冰过程的主要特征的相似要求。可见，采用本发明的计算方法能够得到用于结冰风洞试验中的模型参数，相应参数用于结冰风洞实验能够反映真实结冰的情况，具有显著的进步意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法，包括如下步骤：

(一)根据被模拟物的要求，确定被模拟物的真实外形和真实气象条件，所述真实外形和真实气象条件包含以下七个参数：真实外形特征长度L_f、飞行速度V_f、空气中的过冷水滴直径d_f、大气压强P_f、空气中的液态水含量LWC_f、结冰总时间t_f、来流温度T_f；

(二)将被模拟物的外形按照比例缩小，制作一个与被模拟物几何相似的物理模型；

(三)根据步骤二制备的物理模型，确定物理模型的模型特征长度L_m，根据模型特征长度L_m和真实外形特征长度L_f，得到实验的缩比数，缩比数的值为

(四)计算撞击因子K_i，计算公式如下：

该式中，ρ_d为水密度，σ_d为水表面张力系数，μ_d为水粘性系数，D_d为水滴直径，V为来流速度，根据要模拟的真实气象条件，计算得到K_i的值；

(五)根据步骤四得到的K_i值，采用如下公式得到判断因子ε的值：