李開(kāi)成，金坤健，易 暉，梁建海

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所， 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

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大型噴灑塔云霧參數(shù)標(biāo)定方法研究

李開(kāi)成，金坤健，易 暉，梁建海

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所， 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

簡(jiǎn)要介紹了大型噴灑塔的功能組成，介紹了噴灑塔云霧參數(shù)標(biāo)定的目的，給出了云霧參數(shù)標(biāo)定方法，制定了標(biāo)定流程，最后給出了部分標(biāo)定結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析,提出了建議。

噴灑塔；云霧參數(shù)；標(biāo)定

0 引言

噴灑塔地處哈爾濱，利用冬季低溫氣象條件，進(jìn)行噴霧模擬自然界結(jié)冰云霧環(huán)境。噴灑塔由噴霧系統(tǒng)、云霧控制系統(tǒng)、臺(tái)架、風(fēng)機(jī)陣、水氣處理系統(tǒng)、柴發(fā)系統(tǒng)和云霧測(cè)量系統(tǒng)等組成,噴灑塔系統(tǒng)框圖如圖1所示。噴霧系統(tǒng)由噴霧框上大量噴嘴組成陣列。云霧控制系統(tǒng)對(duì)噴嘴的水氣壓力進(jìn)行控制。臺(tái)架對(duì)噴霧系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)陣進(jìn)行支撐，并可以旋轉(zhuǎn)滿足風(fēng)向要求。風(fēng)機(jī)陣通過(guò)變化不同的風(fēng)機(jī)陣頻率提供不同的風(fēng)速，對(duì)云霧進(jìn)行輸送。水氣處理系統(tǒng)提供噴嘴所需的高純水和高壓氣體。柴發(fā)系統(tǒng)提供電力。云霧測(cè)量系統(tǒng)用于標(biāo)定云霧參數(shù)平均霧滴直徑、液態(tài)水含量和云霧均勻性。噴灑塔可以完成直升機(jī)整機(jī)地面狀態(tài)下結(jié)冰試驗(yàn)、防除冰試驗(yàn)和懸停狀態(tài)下防除冰試驗(yàn)。噴灑塔噴霧框中心高度最高可達(dá)35m。

云霧參數(shù)包括平均液滴直徑(MVD)、液態(tài)水含量(LWC)和云霧均勻性三個(gè)指標(biāo)。云霧參數(shù)既是噴灑塔設(shè)計(jì)指標(biāo)符合性的最終判據(jù)，也是防除冰試驗(yàn)最重要的參數(shù)，因此云霧參數(shù)標(biāo)定尤為重要。

1 噴灑塔云霧參數(shù)標(biāo)定目的

噴灑塔處在外界環(huán)境中，受外界環(huán)境干擾較大，尤其需要考慮外界風(fēng)的干擾。云霧參數(shù)標(biāo)定既需要考慮風(fēng)機(jī)陣頻率變化導(dǎo)致風(fēng)速變化對(duì)MVD、LWC的影響，也需要考慮到噴霧系統(tǒng)水氣壓力變化對(duì)MVD、LWC的影響。噴灑塔云霧參數(shù)標(biāo)定目的如下：

1) 在相同風(fēng)機(jī)陣頻率下，變化噴嘴水氣壓力，得出噴嘴水氣壓力、風(fēng)速和MVD、LWC的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

2) 在相同噴嘴水氣壓力下，變化不同的風(fēng)機(jī)陣頻率，得出風(fēng)機(jī)陣頻率和LWC、MVD的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

3) 根據(jù)風(fēng)機(jī)陣頻率和噴嘴水氣壓力組合得出任務(wù)書(shū)要求的云霧參數(shù)狀態(tài)點(diǎn)；

4) 在距離噴灑塔不同截面處，放置均勻性標(biāo)定格柵，得出云霧均勻性。

圖1 噴灑塔系統(tǒng)框圖

2 噴灑塔云霧參數(shù)標(biāo)定方法

參考意大利CIR冰風(fēng)洞[1]和SAE-ARP5905[2]冰風(fēng)洞標(biāo)定，結(jié)合噴灑塔實(shí)際環(huán)境，本次云霧參數(shù)標(biāo)定采用查表法，標(biāo)定出噴嘴水氣壓力、風(fēng)速和MVD、LWC對(duì)應(yīng)關(guān)系表。根據(jù)試驗(yàn)所需的MVD、LWC，對(duì)噴嘴水氣壓力進(jìn)行組合，變化不同的風(fēng)機(jī)陣頻率，記錄噴嘴水氣壓力、風(fēng)機(jī)陣頻率和MVD、LWC，形成關(guān)系表。試驗(yàn)時(shí)選取合適的大氣條件(保證噴霧方向與自然風(fēng)向一致，自然風(fēng)速較小)，根據(jù)MVD、LWC，查表輸入噴嘴水氣壓力和風(fēng)機(jī)陣頻率。

2.1 噴嘴水氣溫度標(biāo)定方法

噴嘴水溫和氣溫溫度太高會(huì)導(dǎo)致云霧到達(dá)直升機(jī)不能結(jié)冰，溫度太低會(huì)導(dǎo)致云霧沒(méi)有到達(dá)直升機(jī)之前提前結(jié)冰。噴嘴水溫和氣溫組合決定了結(jié)冰質(zhì)量。結(jié)冰到達(dá)物體上分為三種情況[3]：1)霜冰，這種冰發(fā)生于溫度較低情況，由水滴與物面碰撞之后立即凍結(jié)而成；2)明冰，這種冰發(fā)生于溫度相對(duì)較高的情況，是由于碰撞以及相變放出的熱量使得水滴只有部分會(huì)在碰撞點(diǎn)凍結(jié)，未凍結(jié)的液態(tài)水沿物體表面溢流并逐漸凍結(jié)而形成；3)混合冰，由以上兩種冰混合組成。根據(jù)外界大氣溫度，利用圓柱放置在直升機(jī)槳轂中心所在的云霧中的擺放位置處，設(shè)置不同的水氣溫度，觀察結(jié)冰質(zhì)量，得出霜冰狀態(tài)下的水氣溫度組合。

2.2 MVD、LWC標(biāo)定方法

本次云霧參數(shù)標(biāo)定設(shè)備采用的是Artiμm公司的PDI云霧參數(shù)測(cè)試設(shè)備[4]。儀器設(shè)備放置在任務(wù)書(shū)要求的離噴灑塔20m距離處，距離地面9.5m高(噴灑塔噴霧框中心距離地面10m，考慮到了云霧有一定沉降效應(yīng))，在噴灑塔噴霧框水平方向中心。同時(shí)考慮到懸停的直升機(jī)在云霧的安全性，可能直升機(jī)會(huì)距離噴灑塔適當(dāng)遠(yuǎn)一些，在距離噴灑塔30m位置處也進(jìn)行了云霧參數(shù)標(biāo)定。均勻性標(biāo)定采用格柵進(jìn)行標(biāo)定，要求放置在離噴灑塔20m距離處。下面闡述PDI云霧參數(shù)測(cè)試設(shè)備測(cè)量原理，該設(shè)備采用激光多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。MVD通過(guò)粒子大小統(tǒng)計(jì)分布得出，LWC通過(guò)粒子速度得出粒子濃度，結(jié)合粒子大小統(tǒng)計(jì)得出液態(tài)水含量。

粒子速度測(cè)量：

其中，v為粒子速度，fd為多普勒頻率，δ為光譜間距。

其中，λ為激光束波長(zhǎng)，γ為相交兩激光束夾角。

粒子大小測(cè)量：

其中，F(xiàn)為接收器焦距，δ為光譜間距，s為粒子大小斜率因子，Δ為空間波長(zhǎng)。

其中，tN為粒子總數(shù)，nc(i)為第i個(gè)粒子大小的粒子數(shù)目。

其中，fN為第i個(gè)粒子大小數(shù)目占總粒子數(shù)的比例。

其中，tV為粒子總體積大小。

其中，fV為第i個(gè)粒子大小體積占總體積的比例。

MVD為dv0.5，也就是前面粒子體積比例總和達(dá)到總體積比例0.5時(shí)的粒子大小。

液態(tài)水含量：

其中，D30為所有粒子體積均值。

其中，ρ為水滴密度。

2.3 云霧均勻性標(biāo)定方法

云霧均勻性標(biāo)定采用格柵進(jìn)行結(jié)冰測(cè)量。格柵放置離噴灑塔20m或30m距離處。一個(gè)格柵尺寸為4m×4m，均勻性標(biāo)定時(shí)3個(gè)格柵并排放置，形成總的格柵尺寸4m×12m。一個(gè)格柵間隔分為12行，12列。標(biāo)定前測(cè)量格柵原始尺寸，結(jié)冰后測(cè)量相同點(diǎn)的結(jié)冰后的厚度，進(jìn)而得出實(shí)際結(jié)冰厚度。

云霧均勻性標(biāo)定測(cè)量示意圖如圖2所示。

云霧均勻性計(jì)算如式(12)所示。

其中，τice為相對(duì)格柵中心點(diǎn)歸一化處理結(jié)冰厚度，τ(x,y)為(x,y)處格柵網(wǎng)格結(jié)冰后厚度，τgrid為格柵網(wǎng)格沒(méi)結(jié)冰前厚度，τc為整個(gè)格柵中心點(diǎn)結(jié)冰后厚度。LWC(x,y)為(x,y)處液態(tài)水含量，LWCc為格柵中心點(diǎn)處液態(tài)水含量。

圖2 云霧均勻性標(biāo)定示意圖

格柵網(wǎng)格交點(diǎn)結(jié)冰厚度按照下面公式計(jì)算。其中V2、H2、V3和H3為交點(diǎn)四周格柵網(wǎng)格邊中點(diǎn)結(jié)冰厚度。格柵網(wǎng)格交點(diǎn)結(jié)冰厚度根據(jù)其所處格柵位置確定。

根據(jù)歸一化后不同位置的結(jié)冰厚度，繪制結(jié)冰均勻性云圖。公式(13)適用于格柵中心處，公式(14)和公式(15)適用于格柵邊框處。

3 云霧參數(shù)標(biāo)定流程和部分結(jié)果

3.1 云霧參數(shù)標(biāo)定流程

1) 根據(jù)風(fēng)向，旋轉(zhuǎn)塔架，使噴霧方向順著風(fēng)向；

2) 將云霧標(biāo)定設(shè)備放置在距離噴霧框中心20m或30m距離處，升到9.5m高度；

3) 標(biāo)定出風(fēng)機(jī)陣不同頻率變化對(duì)應(yīng)云霧標(biāo)定設(shè)備處的風(fēng)速變化，作為參考；

4) 記錄當(dāng)時(shí)大氣環(huán)境參數(shù)，包括大氣溫度、風(fēng)向和自然風(fēng)速，根據(jù)當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度調(diào)整水氣溫度，使之滿足結(jié)冰要求；

5) 參照單個(gè)噴嘴標(biāo)定數(shù)據(jù)，初步給出噴霧水氣壓力組合表。標(biāo)定時(shí)根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，得出要求狀態(tài)點(diǎn)的MVD對(duì)應(yīng)的水氣壓力組合；

6) 變化不同的風(fēng)機(jī)陣頻率，得出對(duì)應(yīng)水氣壓力組合下不同風(fēng)機(jī)陣頻率下的LWC值；

7) 根據(jù)云霧參數(shù)標(biāo)定初表得出來(lái)的MVD和LWC，根據(jù)試驗(yàn)書(shū)要求的MVD和LWC進(jìn)行精確組合，得出試驗(yàn)任務(wù)書(shū)要求的MVD和LWC對(duì)應(yīng)水氣壓力值、風(fēng)機(jī)陣頻率。

3.2 云霧參數(shù)標(biāo)定部分結(jié)果

表1-表4給出了距離噴灑塔噴霧框20m和30m距離處MVD30μm和MVD40μm標(biāo)定的部分結(jié)果。其中氣溫、水溫為噴嘴水溫、氣溫，風(fēng)機(jī)陣頻率影響云霧輸送速度大小，氣壓、水壓為噴嘴水氣壓力，平均溫度為大氣環(huán)境溫度，平均風(fēng)向270代表噴霧方向與自然風(fēng)風(fēng)向一致，平均風(fēng)速為自然風(fēng)速。

表1 20m處MVD30μm時(shí)云霧參數(shù)標(biāo)定結(jié)果表

表2 20m處MVD40μm時(shí)云霧參數(shù)標(biāo)定結(jié)果表

表3 30m處MVD30μm時(shí)云霧參數(shù)標(biāo)定結(jié)果表

表4 30m處MVD40μm時(shí)云霧參數(shù)標(biāo)定結(jié)果表

4 結(jié)論和建議

從標(biāo)定結(jié)果可以看出，MVD只和噴嘴水氣壓力差有關(guān)，當(dāng)噴嘴水氣壓力差一定時(shí)，云霧MVD值恒定。在噴嘴水氣壓差和風(fēng)機(jī)陣頻率恒定的情況下，水壓越小，LWC值越小。在噴嘴水氣壓差恒定的情況下，風(fēng)機(jī)陣頻率越高，對(duì)應(yīng)云霧輸送速度越大，LWC值越小。在相同風(fēng)機(jī)陣頻率、外界風(fēng)速和水氣壓力情況下，不同距離對(duì)應(yīng)的LWC值不同。距離變遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)陣送風(fēng)的風(fēng)速降低，導(dǎo)致云霧囤積，LWC增加；同時(shí)云霧經(jīng)過(guò)一段距離后耗散變大。因此，需要綜合考慮風(fēng)速變化和云霧耗散影響，以實(shí)際云霧參數(shù)標(biāo)定為準(zhǔn)。

噴灑塔云霧參數(shù)標(biāo)定技術(shù)難度大，工作量巨大，耗資巨大。結(jié)合本次標(biāo)定結(jié)果，得出以下建議：

1) 單個(gè)噴嘴MVD試驗(yàn)室標(biāo)定數(shù)據(jù)應(yīng)該詳細(xì)充分，作為MVD標(biāo)定的初始依據(jù)；

2) 標(biāo)定時(shí)應(yīng)確保自然風(fēng)速較小，自然風(fēng)與噴霧方向一致；

3) 標(biāo)定時(shí)每個(gè)MVD和LWC應(yīng)仔細(xì)核實(shí)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；

4) 云霧參數(shù)需要標(biāo)定大量數(shù)據(jù)，從中進(jìn)行分析得出擬合曲線；

5) 結(jié)冰均勻性需要在條件好的情況下在噴灑塔云霧輸送方向上進(jìn)行不同距離測(cè)量。

[1] Bellucci M, Esposito B M. Calibration of the CIRA IWT in the Low Speed Configuration[C]. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.

[2] SAE-ARP5905，Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels[S].2003.

[3] 易 賢，桂業(yè)偉，等.結(jié)冰風(fēng)洞水滴直徑標(biāo)定方法研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2010.

[4] PDI Flight Probe, Dual Range(FPDR) User Manual[Z].

Calibration of Freezing Frog Parameters of the Icing Spray Tower

LI Kaicheng , JIN Kunjian, YI Hui, LIANG Jianhai

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The components and function of the icing spray tower were introduced briefly first. Then the purpose of the freezing frog parameters calibration was expressed. The method of calibration was provided. The flow of calibration was formulated. At last, some results of calibration were provided. Based on the results, some conclusions were obtained, some proposals were suggested.

icing spray tower; freezing frog parameters; calibration

2015-09-16

李開(kāi)成(1983-)，男，安徽省鳳陽(yáng)縣人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：旋翼綜合試驗(yàn)。

1673-1220(2015)04-058-05

V216.5

A