过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法技术

本发明专利技术公开了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，目的在于解决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。本发明专利技术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，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，采用本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法
本专利技术涉及航空航天领域，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。
技术介绍
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SupercooledLargeDroplets，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。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：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。本专利技术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。本专利技术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，采用本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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Lf、飞行速度Vf、空气中的过冷水滴直径df、大气压强Pf、空气中的液态水含量LWCf、结冰总时间tf、来流温度Tf；(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Lm，根据模型特征长度Lm和真实外形特征长度Lf，得到实验的缩比数，缩比数的值为(四)计算撞击因子Ki，计算公式如下：该式中，ρd为水密度，σd为水表面张力系数，μd为水粘性系数，Dd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Ki的值；(五)根据步骤四得到的Ki值，采用如下公式得到判断因子ε的值：(六)根据步骤一中的Vf、步骤三得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的速度Vm：该式中，γ＝1.4；(七)根据步骤一中的Vf、步骤三得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的过冷水滴直径dm：(八)由于在开氏温标下，实验需要的温度和真实温度相差相近，令的初始值为1；(九)采用如下公式计算实验需要的压强Pm：(十)采用如下公式计算，得到实验需要的液态水含量LWCm：(十一)采用如下公式计算，得到实验需要的结冰总时间tm：(十二)采用如下公式计算，得到实验需要的来流温度T′m：该式中，Cp,w是水的比热，Cp,w＝4.184×103J/Kg.K-1，θ是空气能量传输参数，b是相对温度因子，其中，驻点处的热对流系数k是空气的热传导率；ρ是水的密度；r是恢复因子，r＝Pr1/2，其中Pr＝0.72；Cp是空气的比热，μ是空气动力粘性系数(这两个量可以根据对应的温度查询得到)；(十三)采用如下公式计算温度的相对误差Tδ：Tδ＝|T′m-Tm|/Tm，若Tδ＞0.000001,则令Tm＝T′m，返回到步骤九；如果Tδ≤0.000001,则Tm＝T′m，结束循环。所述步骤十三中，当Tδ≤0.000001,则Tm＝T′m，所得到的Lm即为实验需要的模型特征长度，所得到的Vm即为实验需要的飞行速度，所得到的dm即为实验需要的过冷水滴直径，所得到的Pm即为实验需要的大气压强，所得到的LWCm即为实验需要的液态水含量，所得到的tm即为实验需要的结冰总时间，所得到的Tm即为实验需要的来流温度。为了解决前述问题，申请人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。申请人建立本专利技术的过程如下。1建立一种SLD条件下结冰试验参数换算方法相似参数的定义，来自于结冰的各不同物理过程，根据影响结冰的主要因素，建立积冰试验相似准则时，必须考虑如下三个方面：绕流流场、水滴运动和撞击特性、积冰过程的热力学特性。(1)绕流流场相似为了使几何相似的物面上结冰外形也相似，绕物体流动的归一化温度和压力分布也必须相似。为了使撞击区域有相似的流场特征以及相似的结冰，在结冰研究中对流场的要求为：试验模型和全尺寸物体必须几何相似；试验速度必须大于雷诺数为2.0×105所对应的速度，而小于临界马赫数所对应的速度。(2)水滴运动和撞击特性水滴运动和撞击特性的相似主要通过以下方面来体现：水滴运动相似、运动过程中的动力学行为相似、撞击过程中的动力学行为相似、物面撞击水质量相似。①水滴运动相似考虑作用在水滴上的重力、浮力和阻力，根据牛顿第二定律，水滴轨迹方程可以写成：该式中，ρa是空气密度；是重力加速度；Ad是水滴的迎风面积，ρd是水滴密度；vd是水滴的体积，Cd是阻力系数；代表当地的气流速度；表示水滴速度。用自由流速度密度(ρa)∞、特征长度C进行无量纲化，整理可得：其中，K为水滴惯性参数，令其中γ取为在远处雷诺数相关的值，可以取作为水滴轨迹的相似参数，它仅仅是水滴雷诺数Reδ的函数，其值与轨迹无关。水滴运动轨迹和撞击特性相似要求可概括为：②运动过程中的动力学行为相似液滴受迫变形的阻尼的控制方程为：类比于弹簧受迫振动方程，液滴受迫变形的阻尼控制的最大振幅：A是对应水滴变形量，是水滴变形和破碎的决定因子，可以写成如下形式:A＝f(ρg,u,r,σ)。根据Π定理，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Lf、飞行速度Vf、空气中的过冷水滴直径df、大气压强Pf、空气中的液态水含量LWCf、结冰总时间tf、来流温度Tf；(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Lm，根据模型特征长度Lm和真实外形特征长度Lf，得到实验的缩比数，缩比数的值为(四)计算撞击因子Ki，计算公式如下：该式中，ρd为水密度，σd为水表面张力系数，μd为水粘性系数，Dd为水滴直径，V为来流速度，根据真实气象条件，计算得到Ki的值；(五)根据步骤四得到的Ki值，采用如下公式得到判断因子ε的值：ϵ=0.6Ki>57.7ϵ=0.5Ki<=57.7;]]>(六)根据步骤一中的Vf、步骤四得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的速度Vm：Vmvf=(LfLm)12-γϵ-1-&gamma;,]]>该式中，γ＝1.4；(七)根据步骤一中的Vf、步骤四得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的过冷水滴直径dm：dmdf=(VfVm)1ϵ;]]>(八)由于在开氏温标下，实验需要的温度和真实温度相差相近，令的初始值为1；(九)采用如下公式计算实验需要的压强Pm：PmPf=(VfVm)2(TmTf);]]>(十)采用如下公式计算，得到实验需要的液态水含量LWCm：LWCmLWCf=PmPf/((LmLf)0.5(VmVf)0.5);]]>(十一)采用如下公式计算，得到实验需要的结冰总时间tm：tmtf=(LmLf)1.5/((VmVf)0.5(PmPf)0.5);]]>(十二)采用如下公式计算，得到实验需要的来流温度Tm′=Tf+θm-θfb+Vf2-Vm22*Cp,w,]]>该式中，Cp，w是水的比热，Cp,w＝4.184×103J/Kg.K‑1，θ是空气能量传输参数，b是相对温度因子，θm=(273.15-Tm)-rVm22Cp,]]>θf=(273.15-Tf)-rVf22Cp,]]>b=LWCf·Vf·cp,whc,]]>其中，驻点处的热对流系数k是空气的热传导率；ρ是水的密度；r是恢复因子，r＝Pr1/2，其中Pr＝0.72，Cp是空气的比热，μ是空气动力粘性系数；(十三)采用如下公式计算温度的相对误差Tδ：Tδ=|Tm′-Tm|/Tm,]]>若Tδ＞0.000001,则令Tm＝T′m，返回到步骤九；如果Tδ≤0.000001,则Tm＝T′m，结束循环。...

【技术特征摘要】
1.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Lf、飞行速度Vf、空气中的过冷水滴直径df、大气压强Pf、空气中的液态水含量LWCf、结冰总时间tf、来流温度Tf；(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Lm，根据模型特征长度Lm和真实外形特征长度Lf，得到实验的缩比数，缩比数的值为(四)计算撞击因子Ki，计算公式如下：该式中，ρd为水密度，σd为水表面张力系数，μd为水粘性系数，Dd为水滴直径，V为来流速度，根据真实气象条件，计算得到Ki的值；(五)根据步骤四得到的Ki值，采用如下公式得到判断因子ε的值：(六)根据步骤一中的Vf、步骤三得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的速度Vm：该式中，γ＝1.4；(七)根据步骤一中的Vf、步骤三得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的过冷水滴直径dm：(八)由于在开氏温标下，实验需要的温度和真实温度相差相近，令的初始值为1；(九)采用如下公式计算实验需要的压强Pm：(十)采用如下公式计算，得到实验需要的液态水含量LWCm：

【专利技术属性】
技术研发人员：周志宏，易贤，桂业伟，朱国林，王勋年，
申请(专利权)人：空气动力学国家重点实验室，
类型：发明
国别省市：四川;51