过冷大水滴相互干扰作用对撞击结冰过程的影响研究

发布时间：2020-08-21 03:57

【摘要】：过冷大水滴(Supercooled Large Droplet)撞击结冰问题是飞机结冰研究中的热点问题,实验研究是重要的研究手段。近年来,已开展的冰风洞实验主要聚焦于研究SLD撞击过程中的动力学问题,没有考虑飞机飞行过程中云雾环境中的过冷大水滴的分布情况。2014年发布的FAR25部文件的附录O部分提出了过冷大水滴(SLD)的环境适航符合性验证要求,目前世界上主流的结冰风洞的云雾模拟能力仍比较有限,不能实现附录O中给定的复杂的云雾环境。但是SLD集群撞击结冰机理的研究需求是极为迫切的。已经开展的实验结果表明,云雾环境中过冷大水滴的水含量(LWC),平均粒径(MVD),过冷度等因素均会严重影响撞击结冰的实验结果。真实的云雾环境中SLD的分布密度可达10~6/m~3,SLD间的干扰对撞击结冰过程的影响的研究不可忽略,但关于这方面的研究国内外开展得较少。在这种背景下,本文设计实验研究SLD相继撞击壁面结冰的物理过程,并将该过程与不存在相互干扰的过冷大水滴撞击结冰过程对比。本文的研究思路为:用高速相机拍摄多SLD偏移一定位置相继撞击低温壁面结冰的物理过程:研究相继滴落的过冷大水滴的落点位置的偏移量、相继撞击的时间间隔对结冰形态(最大铺展率和结冰回缩率)及结冰速度的影响。完整分析SLD相继撞击结冰的物理过程并总结SLD间的干扰对于结冰的影响规律。实验部分的研究发现,SLD间的干扰会抑制撞击后的回缩结冰的进程,撞击落点间的偏移量越小,抑制回缩效应越强。SLD相继撞击壁面的时间间隔对回缩抑制效应的影响有限。SLD相互干扰会显著减缓撞击结冰速度:相继撞击的时间间隔越短,撞击落点的相对偏移量越小,结冰的延迟效应越严重。本文对实验研究结果进行总结,在原有的单水滴撞击模型的基础上完善得到多过冷水滴撞击非稳态传热模型。本文的研究结果进一步揭示了过冷大水滴撞击结冰过程的非稳态传热结冰特性并为后续相关的结冰风洞实验技术研究提供了一定的参考。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V321.229
【图文】：

水滴粒径,附录,环境,飞机结冰

（a）（b）图 1-2 FAR25 部附录 O 环境给出的水滴粒径分布Fig.1-2 The droplet size distribution given by FAR part 25 Appendix OSLD 的撞击结冰问题吸引了大批学者竞相研究：关于水滴直径、气流物性、环境温度、撞击速度、撞击角度等动力学因素对结冰进程的影响已在诸多研究中有所揭示，过冷大水滴间的相互干扰对撞击结冰过程的影响尚未引起足够重视，探讨清楚 SLD 之间的干扰对结冰的影响有利于更清晰地认知 SLD 结冰问题，完善过冷水撞击结冰机理，建立更准确的非稳态传热结冰数学模型，并用来指导后续的飞机结冰防除冰装置设计，提高飞机在复杂结冰气候条件下飞行的安全性。1.2、国内外研究现状和综述1.2.1、飞机结冰研究

升阻力系数,飞机,情况,升力

上海交通大学硕士学位论文飞机气动的阻力系数大大增加，随温度的变化变化较大。机翼表面的不规则的积冰极大削弱了升力，增加了阻力系数，飞机的升阻比迅速下降。相关数值计算的结果表明，飞机结冰引起的总阻力增加的 70%以上是由机翼的阻力增加提供的，飞机由于缺乏足够的升力而坠落[8]。

实景,回流式风洞,研究中心,意大利

上海交通大学硕士学位论文结冰风洞大约有二十余座，主要分布在美国、英国、加拿大、法国、本等国家[9]，其中比较具有代表性的有美国 NASA 研究中心的结冰以及意大利航天研究中心的结冰风洞（IWT）。NASAGlenn 中心的一座回流式风洞（2.7m×1.8m），试验段长度为 6.1m，最低可达到- 2低温，最高风速可达到 179m/s。意大利 IWT 风洞尺寸为( 2.25m×2.35一个回流式风洞，它的试验段是可更换的。温度最低可达-32 摄氏度。

【引证文献】