过冷大水滴动力学特性的温度影响实验研究

发布时间：2017-09-06 14:09

  本文关键词：过冷大水滴动力学特性的温度影响实验研究

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【摘要】：近些年因过冷大水滴(Supercooled Large Droplet,以下简称SLD)结冰造成的飞行事故引起了人们的高度关注和研究热潮。SLD是指云层中平均直径超过100?m的过冷水滴,其区别于小水滴的主要特征是具有明显变形、破碎、飞溅等动力学行为,这类水滴的结冰会使大多数的防除冰系统无法实现完全除冰,造成飞机气动性能的急剧下降,特别是飞机发动机部件的SLD结冰,会使发动机进气道流场特性发生巨大变化,降低进气道效率,冰脱落更是容易损坏叶片,严重时甚至会导致发动机熄火,极大地威胁飞行安全。国内外SLD动力学研究几乎都是在常温下开展实验研究,结冰模拟采用的SLD动力学模型也都是从常温实验数据中统计获得的。而真实飞机结冰的环境温度通常在0℃~-20℃,SLD处于这种低温环境下的物理性质、内压分布以及周围介质(空气)物性的变化,会对水滴的变形、破碎、飞溅等动力学特性产生一定的影响,进而对飞机结冰产生影响。因此低温环境下SLD动力学特性的变化,对传统SLD动力学模型的修正有着重要意义。本项研究紧紧围绕温度这一影响因素,以常、低温对比实验为研究途径,开展了不同温度下的SLD动力学特性研究。通过设计使水滴发生破碎的快速收缩风道,采用压电式的水滴发生方式以及高速摄像技术,解决了水滴直径、速度控制以及水滴图像捕获的技术难题,同时通过气流标定、水滴图像处理技术和建立水滴热传导模型解决了水滴直径、速度、温度以及水滴周围气流速度等系列参数的测量问题,并完成了实验系统和方法的可行性和可靠性验证。在不同环境温度下开展了SLD动力学特性对比实验,实验研究表明:随着环境温度的降低,水滴变形率、水滴临界变形率、阻力系数(参考当地速压及初始水滴正投影面积)都有所减小,特别是在水滴初始变形阶段温度影响较为明显;不论袋式破碎还是蕊式破碎,低温下水滴破碎范围更小,水滴破碎时间更长;其次还发现蕊式破碎更易发生二次破碎,蕊式破碎对温度变化更加敏感。本项研究的主要创新点一是发现了低温环境下SLD新的物理现象和规律;二是基于TAB破碎模型,修正了水滴临界变形率bC,建立了临界变形率的温度影响模型;三是初步建立了常温、低温下,水滴袋式破碎和蕊式破碎后子液滴的均匀分布模型,该模型更进一步的描述了水滴破碎的真实物理过程,对水收集系数、水滴撞击极限、结冰防护范围都会产生一定影响,使现有防冰系统设计面临新的挑战。
【关键词】：结冰 过冷大水滴 动力学特性 温度 实验研究 子液滴分布模型
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V321.229
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 符号说明9-11
• 第一章 引言11-19
• §1.1 研究背景及意义11-12
• §1.2 国外研究现状12-15
• §1.2.1 SLD数值模拟12
• §1.2.2 SLD实验研究12-15
• §1.3 国内研究现状15-17
• §1.3.1 SLD数值模拟15-16
• §1.3.2 SLD实验研究16-17
• §1.4 本文的研究思路17-18
• §1.5 本文的主要工作18-19
• 第二章 SLD动力学特性实验系统研究19-31
• §2.1 总体设计19-20
• §2.1.1 设计指标20
• §2.1.2 设计要求20
• §2.2 风洞系统20-25
• §2.2.1 风道设计20-23
• §2.2.2 动力系统23-24
• §2.2.3 制冷系统24-25
• §2.3 水滴发生系统研制25-29
• §2.3.1 压电式水滴发生器25-27
• §2.3.2 供水系统27-29
• §2.4 高速摄像系统29-30
• §2.4.1 高速摄像机29-30
• §2.4.2 镜头选取30
• §2.5 本章小结30-31
• 第三章 SLD动力学特性实验方法研究31-49
• §3.1 风速测量31-33
• §3.1.1 测量方法31-32
• §3.1.2 标定结果32-33
• §3.2 水滴图像处理33-40
• §3.2.1 图像处理方法33-39
• §3.2.2 水滴直径测量39-40
• §3.2.3 水滴速度测量40
• §3.3 水滴温度估算40-44
• §3.3.1 估算方法40-43
• §3.3.2 估算结果43-44
• §3.4 系统及方法验证44-48
• §3.4.1 流场模拟44-47
• §3.4.2 验证实验47-48
• §3.5 本章小结48-49
• 第四章 SLD温度影响实验与特性分析49-77
• §4.1 SLD动力学基本理论49-53
• §4.1.1 无量纲数49-50
• §4.1.2 水滴运动方程50-51
• §4.1.3 水滴阻力51-52
• §4.1.4 水滴阻力系数52-53
• §4.2 温度影响实验53-56
• §4.2.1 实验系统53-54
• §4.2.2 测试系统54-56
• §4.2.3 实验方案56
• §4.3 水滴变形率温度影响特性56-63
• §4.3.1 温度对变形率的影响分析56-61
• §4.3.2 临界变形率bC温度影响模型61-63
• §4.4 水滴阻力系数温度影响特性63-65
• §4.4.1 阻力系数63-65
• §4.4.2 内插因子65
• §4.5 水滴破碎时间温度影响特性65-68
• §4.5.1 破碎时间理论65-66
• §4.5.2 温度对破碎时间的影响分析66-68
• §4.6 水滴破碎范围温度影响特性68-74
• §4.6.1 温度对破碎范围的影响分析68-71
• §4.6.2 子液滴分布模型71-74
• §4.7 本章小结74-77
• 第五章 总结与展望77-79
• §5.1 总结77-78
• §5.2 展望78-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-84
• 个人简历84

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