邢玉明等:飞机发动机结冰研究进展 9 在调试中。风洞主试验段宽2.25m,高2.35m,最大马赫数0.4,最低温度-32℃;结冰模拟高度7000 MwD为5-300μm。风洞具有发动机进气道模拟系统,流量范围1.5-5kg/s。该冰风洞试验模拟速度范 围宽,雷诺数范围大,除能满足结冰试验硏究外,也能进行常规气动试验,这些特点大大增强了其综合试验能 力 我国近年来也建成了一些模拟冰风洞装置与小型冰风洞。武汉仪表厂已建成了一座闭口回流式亚音速 仪表冰风洞,主要供航空气动仪表的除冰、防冰之用,其试验段气流速度达到205m/s,该风洞试验段口径为 180×280(mm,宽x高),试验段温度最低可达-35℃,液态水含量为0.2-3g/m3;我国已经成功突破了冰 风洞的几项关键性技术难题,但该风洞的标定、校准、测试工作离标准冰风洞还有很大差距 建造大型冰风洞对换热系统和喷雾系统要求高,大多数冰风洞的不足是由于试验段尺寸的限制,不能进 行整机试验,另外一个局限是不能模拟高空状态。只有少数几座冰风洞能够进行高空状态下的发动机整机 结冰试验,如AEDC冰风洞和CIRA冰风洞。多数高空台仅能通过调整试验舱内的压力和温度来模拟飞行 状态下发动机周围的环境,不能模拟飞机穿过包含过冷水滴的云层时的情况。我国目前正在进行的研究就 是将高空台与冰风洞相结合,设计可拆除式喷雾系统,高空台进行结冰试验时,安装喷雾系统,就能够模拟云 层中进人发动机进气道的过冷水滴;进行常规高空台试验时,将喷雾系统拆除,不会影响高空台原有的试验 能力。这种设计能够更加真实地模拟飞行过程中发动机所处的条件,为验证和改进发动机的性能提供更加 准确可靠的试验研究数据。国外已有这样的先例,如美国NASA的AWT( Altitude wind tunnel)冰风洞就是 在高空台的基础上改造而来,国内在此项研究过程中可以借鉴其成功的经验和方法。 2冰风洞测试技术 在进行结冰试验时,液态水含量( Liquid Water Content,LWC)和液滴粒径( Medium Volume diameter, MVD)是衡量结冰条件的主要参数,也是冰风洞测量技术中的重点和难点。 2.1LWC的测量 常用的LwC的测量方法有热线测量法、超声波测量法、冰生长测量法。热线测量法技术成熟,应用最 广。热线测量法以及超声波测量法都是仪器测量,属于直接测量法,特点是直接、快速,但是需要专门的 测量系统,成本较高,并且需要专业的标定,其测量精度也有待提高,国外应用较多。冰生长测量法常用的测 量设备有冰刀或旋转圆柱装置。冰刀的测量方法比较简单,将冰刀迎风面置于试验段来流中,经过一定的时 间根据冰刀上冰厚度可以计算液态水含量。旋转多圆柱测量方法的思路是首先测量结冰量,然后根据结冰 量计算的原理反向推算出水滴参数,利用试探法进行回归分析实现超静定方程组的最佳逼近求解。从而达 到测量目的。冰生长测量法在进行计算时,认为水滴在冰刀上的总收集系数为1,而实际的水滴收集系数 总是小于1,因此用这种方法计算出来的结果会有误差。近年来一些研究者提出了一种数值计算和冰风洞 试验相结合测量LwC的方法,该方法首先采用拉格朗日法计算水滴运动轨迹,得到总收集系数;然后计 算不同LWC所对应的结冰质量,建立LWC与结冰质量的关系曲线;在此基础上,进行冰风洞试验,得到结冰 质量,通过在之前建立的关系曲线上进行插值,可以得到试验液态水含量的大小。用这种方法测量LWC,操 作方便,成本低廉,而且测量结果的精度较高,克服了常规LWC测量方法的不足。 2.2MVD的测量 在国外发达国家的冰风洞中,用于测量MVD的粒子测量系统包括相位多普勒粒子分析仪( Phase Doppler Particle Analyzer,PDPA)、前向散射分光测量仪( Forward Scattering Spetrometer Probe,FSP)、光学阵 列探针( Optical Array Probe,OAP)、机载粒子分析仪( Airbome Droplet Analyzer,ADA)和光纤光学测量系统 ( Fiber optic system,FOS)等测量方法。其中FSSP和OAP的应用比较早,但其测量范围有一定的局限且物理 尺寸较大。各国目前主要使用PDA来进行液滴MVD的测量。 相位多普勒技术是利用随流体而运动的粒子同时测量流体速度和粒子粒径,用信号频率来测量流体速 度,用信号的相位来测量粒径。在意大利CIRA冰风洞中,将PDPA作为MVD的参考系统;在美国刘易斯研 究中心的IRT( Icing research tunnel)中进行结冰试验时也用PDPA来测量液滴粒径。FOS是近年才研究出 的比较先进的测量方法,实际应用到冰风洞试验中的还不多,光纤测量方法的测量装置体积小、结构紧凑、防 水性好,测量结果准确,而且它非常适合安装于飞行器上或者用于复杂条件下大尺寸的风洞中,相比于PD-在调试中。 风洞主试验段宽 ２畅２５ ｍ，高 ２畅３５ ｍ，最大马赫数 ０畅４，最低温度 －３２ ℃；结冰模拟高度 ７ ０００ ｍ， ＭＶＤ 为 ５ －３００ μｍ。 风洞具有发动机进气道模拟系统，流量范围 １畅５ －５５ ｋｇ／ｓ。 该冰风洞试验模拟速度范 围宽，雷诺数范围大，除能满足结冰试验研究外，也能进行常规气动试验，这些特点大大增强了其综合试验能 力。 我国近年来也建成了一些模拟冰风洞装置与小型冰风洞。 武汉仪表厂已建成了一座闭口回流式亚音速 仪表冰风洞，主要供航空气动仪表的除冰、防冰之用，其试验段气流速度达到 ２０５ ｍ／ｓ，该风洞试验段口径为 １８０ ×２８０（ｍｍ，宽 ×高），试验段温度最低可达 －３５ ℃，液态水含量为 ０畅２ －３ ｇ／ｍ３ ；我国已经成功突破了冰 风洞的几项关键性技术难题，但该风洞的标定、校准、测试工作离标准冰风洞还有很大差距［４］ 。 建造大型冰风洞对换热系统和喷雾系统要求高，大多数冰风洞的不足是由于试验段尺寸的限制，不能进 行整机试验，另外一个局限是不能模拟高空状态。 只有少数几座冰风洞能够进行高空状态下的发动机整机 结冰试验，如 ＡＥＤＣ 冰风洞和 ＣＩＲＡ 冰风洞。 多数高空台仅能通过调整试验舱内的压力和温度来模拟飞行 状态下发动机周围的环境，不能模拟飞机穿过包含过冷水滴的云层时的情况。 我国目前正在进行的研究就 是将高空台与冰风洞相结合，设计可拆除式喷雾系统，高空台进行结冰试验时，安装喷雾系统，就能够模拟云 层中进入发动机进气道的过冷水滴；进行常规高空台试验时，将喷雾系统拆除，不会影响高空台原有的试验 能力。 这种设计能够更加真实地模拟飞行过程中发动机所处的条件，为验证和改进发动机的性能提供更加 准确可靠的试验研究数据。 国外已有这样的先例，如美国 ＮＡＳＡ 的 ＡＷＴ（Ａｌｔｉｔｕｄｅ Ｗｉｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ）冰风洞就是 在高空台的基础上改造而来，国内在此项研究过程中可以借鉴其成功的经验和方法。 ２ 冰风洞测试技术 在进行结冰试验时，液态水含量（Ｌｉｑｕｉｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｔｅｎｔ，ＬＷＣ） 和液滴粒径（Ｍｅｄｉｕｍ Ｖｏｌｕｍｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ， ＭＶＤ）是衡量结冰条件的主要参数，也是冰风洞测量技术中的重点和难点。 2畅1 ＬＷＣ 的测量 常用的 ＬＷＣ 的测量方法有热线测量法、超声波测量法、冰生长测量法。 热线测量法技术成熟，应用最 广［５］ 。 热线测量法以及超声波测量法都是仪器测量，属于直接测量法， 特点是直接、快速，但是需要专门的 测量系统，成本较高，并且需要专业的标定，其测量精度也有待提高，国外应用较多。 冰生长测量法常用的测 量设备有冰刀或旋转圆柱装置。 冰刀的测量方法比较简单，将冰刀迎风面置于试验段来流中，经过一定的时 间根据冰刀上冰厚度可以计算液态水含量。 旋转多圆柱测量方法的思路是首先测量结冰量，然后根据结冰 量计算的原理反向推算出水滴参数，利用试探法进行回归分析实现超静定方程组的最佳逼近求解。 从而达 到测量目的［６］ 。 冰生长测量法在进行计算时，认为水滴在冰刀上的总收集系数为 １，而实际的水滴收集系数 总是小于 １，因此用这种方法计算出来的结果会有误差。 近年来一些研究者提出了一种数值计算和冰风洞 试验相结合测量 ＬＷＣ 的方法［７］ ，该方法首先采用拉格朗日法计算水滴运动轨迹，得到总收集系数；然后计 算不同 ＬＷＣ 所对应的结冰质量，建立 ＬＷＣ 与结冰质量的关系曲线；在此基础上，进行冰风洞试验，得到结冰 质量，通过在之前建立的关系曲线上进行插值，可以得到试验液态水含量的大小。 用这种方法测量 ＬＷＣ，操 作方便，成本低廉，而且测量结果的精度较高，克服了常规 ＬＷＣ 测量方法的不足。 2畅2 ＭＶＤ 的测量 在国外发达国家的冰风洞中，用于测量 ＭＶＤ 的粒子测量系统包括相位多普勒粒子分析仪（ Ｐｈａｓｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｎａｌｙｚｅｒ，ＰＤＰＡ）、前向散射分光测量仪（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｔｒｏｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｂｅ，ＦＳＳＰ）、光学阵 列探针（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｒｒａｙ Ｐｒｏｂｅ，ＯＡＰ）、机载粒子分析仪（Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｄｒｏｐｌｅｔ Ａｎａｌｙｚｅｒ，ＡＤＡ）和光纤光学测量系统 （Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ，ＦＯＳ）等测量方法。 其中 ＦＳＳＰ 和 ＯＡＰ 的应用比较早，但其测量范围有一定的局限且物理 尺寸较大。 各国目前主要使用 ＰＤＰＡ 来进行液滴 ＭＶＤ 的测量。 相位多普勒技术是利用随流体而运动的粒子同时测量流体速度和粒子粒径，用信号频率来测量流体速 度，用信号的相位来测量粒径。 在意大利 ＣＩＲＡ 冰风洞中，将 ＰＤＰＡ 作为 ＭＶＤ 的参考系统；在美国刘易斯研 究中心的 ＩＲＴ（Ｉｃｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｕｎｎｅｌ）中进行结冰试验时也用 ＰＤＰＡ 来测量液滴粒径。 ＦＯＳ 是近年才研究出 的比较先进的测量方法，实际应用到冰风洞试验中的还不多，光纤测量方法的测量装置体积小、结构紧凑、防 水性好，测量结果准确，而且它非常适合安装于飞行器上或者用于复杂条件下大尺寸的风洞中，相比于 ＰＤ- 第 ６ 期 邢玉明等：飞机发动机结冰研究进展 ９