易 賢郭 龍周志宏杜雁霞朱國林

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽 621000; 2.四川大學(xué)工程力學(xué)系,四川成都 610065)

基于等Weber數(shù)的結(jié)冰外形修正

易 賢1,郭 龍1,周志宏1,2,*,杜雁霞1,朱國林1

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽 621000; 2.四川大學(xué)工程力學(xué)系,四川成都 610065)

由于設(shè)備條件的限制,在進(jìn)行結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)Weber數(shù)與目標(biāo)Weber數(shù)往往存在差異,為了獲得與目標(biāo)Weber數(shù)對應(yīng)的冰形,需要對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。本文分析了進(jìn)行Weber數(shù)修正的原因,提出了根據(jù)幾何特征量進(jìn)行結(jié)冰外形修正的方法,并以某超臨界翼型為對象,對不同Weber條件下的結(jié)冰外形進(jìn)行了仿真,研究了Weber數(shù)變化對結(jié)冰的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上開展了基于等Weber數(shù)的結(jié)冰外形修正。研究發(fā)現(xiàn):(1)Weber數(shù)主要影響冰角特征,對水滴收集特性、結(jié)冰極限及駐點(diǎn)冰厚度影響較小;(2)存在一個(gè)敏感Weber數(shù),低于敏感值時(shí), Weber數(shù)變化對結(jié)冰影響不大,當(dāng)Weber數(shù)高于敏感值時(shí),Weber數(shù)變化對結(jié)冰有明顯影響;(3)采用本文提出的冰形修正方法,能保證冰形的宏觀輪廓與目標(biāo)冰形一致,修正后的冰形能適量消除由于Weber數(shù)誤差導(dǎo)致的冰形差異,提高試驗(yàn)的精度。

飛機(jī)結(jié)冰;Weber數(shù);冰形修正;結(jié)冰風(fēng)洞;結(jié)冰相似準(zhǔn)則;結(jié)冰試驗(yàn);飛行安全

0 引 言

飛機(jī)結(jié)冰廣泛存在于飛行實(shí)踐中,是導(dǎo)致飛行安全事故的重要隱患[1-2]。結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)是進(jìn)行結(jié)冰研究的主要手段,它是通過在風(fēng)洞內(nèi)制造結(jié)冰氣象條件,對真實(shí)結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行模擬[3]。為了使結(jié)冰風(fēng)洞的試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)結(jié)冰一致,理想的方法是采用全尺寸的部件或者模型在對應(yīng)的結(jié)冰氣象條件下進(jìn)行試驗(yàn)。但客觀條件限制了這種理想方法的實(shí)現(xiàn):一方面,風(fēng)洞部件的尺寸往往太大,而風(fēng)洞試驗(yàn)段的尺寸相對較小,不能滿足進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)的要求;另一方面,實(shí)際的飛行條件和結(jié)冰氣象參數(shù)范圍很寬,由于制造工藝和設(shè)備模擬能力的限制,在結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)要完全達(dá)到這些條件是不可能的。因此,為了模擬真實(shí)結(jié)冰條件,結(jié)冰風(fēng)洞的試驗(yàn)條件往往都是通過相似理論變換得到[4-5]。在進(jìn)行相似變換時(shí),有些參數(shù)的相似性要求不能完全滿足,必須對由此帶來的試驗(yàn)結(jié)果差異進(jìn)行修正,Weber數(shù)差異即是其中的典型代表。Weber數(shù)定義為水滴慣性力與表面張力之比,從物理機(jī)理可知這個(gè)量主要影響結(jié)冰過程中水滴運(yùn)動(dòng)的形態(tài)、軌跡以及液態(tài)水在物體表面的溢流行為,這幾方面的影響最終都可能使結(jié)冰形貌發(fā)生改變[6]。在進(jìn)行結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),讓試驗(yàn)的Weber數(shù)與真實(shí)結(jié)冰的Weber數(shù)相等,已經(jīng)成為確定試驗(yàn)條件的重要原則,為越來越多的研究者所建議和采用[7-8]。由于結(jié)冰風(fēng)洞能達(dá)到的試驗(yàn)速度有限,如果試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀锌s比,大部分結(jié)冰試驗(yàn)的Weber數(shù)不能與真實(shí)結(jié)冰條件的Weber數(shù)一致,而在FAA的Adviser Circular中有明確規(guī)定[9],如果試驗(yàn)的Weber數(shù)不能與真實(shí)結(jié)冰條件的Weber數(shù)相同,必須對相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正,這樣獲得的冰形才能用于飛機(jī)的適航認(rèn)證。

國內(nèi)外對于涉及結(jié)冰試驗(yàn)方案制訂、試驗(yàn)參數(shù)選取以及試驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)相關(guān)性的結(jié)冰試驗(yàn)相似準(zhǔn)則開展了較深入研究[10-13],有較多文章公開發(fā)表,但是對于結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和修正,目前尚未見公開發(fā)表的研究報(bào)道。與常規(guī)風(fēng)洞試驗(yàn)直接輸出氣動(dòng)數(shù)據(jù)不同,大多數(shù)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)需要得到物體表面的結(jié)冰外形,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正即是對復(fù)雜冰形進(jìn)行修正。

本文首先從理論上分析了進(jìn)行冰形的Weber數(shù)修正的原因,在此基礎(chǔ)上提出了一種根據(jù)幾何特征量進(jìn)行結(jié)冰外形修正的方法,并以某超臨界翼型為對象,對不同Weber數(shù)條件下的結(jié)冰外形進(jìn)行了仿真,研究了Weber數(shù)變化對結(jié)冰的影響規(guī)律,開展了基于等Weber數(shù)的結(jié)冰外形修正。

1 等Weber數(shù)的結(jié)冰試驗(yàn)參數(shù)選取方法

1.1 AEDC的結(jié)冰試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

選取結(jié)冰試驗(yàn)參數(shù)的理論依據(jù)是結(jié)冰試驗(yàn)相似準(zhǔn)則及相應(yīng)的相似參數(shù),相似參數(shù)的定義來自于影響結(jié)冰的各物理過程。根據(jù)影響結(jié)冰的主要因素,通常建立結(jié)冰試驗(yàn)相似準(zhǔn)則時(shí)必須考慮如下4個(gè)方面: (1)繞流流場;(2)水滴運(yùn)動(dòng)軌跡和撞擊特性;(3)物面撞擊水質(zhì)量;(4)結(jié)冰過程的熱力學(xué)特性。

目前廣泛應(yīng)用的AEDC的結(jié)冰試驗(yàn)相似準(zhǔn)則包涵了4個(gè)相似參數(shù),分別為慣性因子K0、聚集因子Ac、凍結(jié)比例n和水滴能量傳遞勢φ[10]。其中慣性因子K0是通過對水滴運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行無量綱化而獲得,其表達(dá)式為:

式(1)中,rd、ρd和CD分別為水滴半徑、密度和阻力系數(shù),V∞為遠(yuǎn)場來流速度,μa為空氣粘性系數(shù),L為特征長度,Re∞為水滴在自由流中的雷諾數(shù)。

聚集因子Ac的表達(dá)式為:

其中,LWC為空氣中的液態(tài)水含量,t為結(jié)冰時(shí)間,ρi為空氣密度。

凍結(jié)比例n是指物面控制單元內(nèi)所收集的液態(tài)水凍結(jié)成冰的比例。根據(jù)Messinger的結(jié)冰熱力學(xué)模型可以得到凍結(jié)比例的表達(dá)式為[11]:

其中,cp,w為水的比熱,hf為冰的融解潛熱,b為相對熱因子,θ和φ分別為空氣和水滴的能量傳遞勢,具有溫度量綱,φ的表達(dá)式為:

AEDC的相似準(zhǔn)則要求滿足以下條件:

其中下標(biāo)“m”和“f”分別代表模型結(jié)冰的試驗(yàn)條件和全尺寸物體的參考結(jié)冰條件。

1.2 根據(jù)相似準(zhǔn)則和參考條件確定試驗(yàn)條件

確定了待模擬的參考結(jié)冰條件,根據(jù)相似準(zhǔn)則的要求,即可根據(jù)參考條件選取對應(yīng)的試驗(yàn)條件。需要選取的結(jié)冰試驗(yàn)參數(shù)共有7個(gè),包括模型尺寸Lm、速度Vm、壓力pm、水滴直徑dm、液態(tài)水含量LWCm、結(jié)冰時(shí)間tm和溫度Tm。而相似準(zhǔn)則共有4個(gè)約束方程,因此在選取試驗(yàn)參數(shù)時(shí)可以自由指定3個(gè)。通常根據(jù)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段大小指定試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?再自由給定速度和壓力,其余試驗(yàn)參數(shù)則通過計(jì)算獲得。根據(jù)式(6)～式(9)確定試驗(yàn)參數(shù)的公式為[10]:

1.3 等Weber數(shù)條件的引入及其面臨的困難

根據(jù)式(10)確定試驗(yàn)參數(shù),需給定試驗(yàn)速度,再根據(jù)給定的試驗(yàn)速度計(jì)算其他參數(shù),這導(dǎo)致試驗(yàn)速度給的不同,其他試驗(yàn)參數(shù)也不一樣,對應(yīng)試驗(yàn)冰形與參考冰形的相似程度也不一樣,因次必須有給定試驗(yàn)速度的原則。文獻(xiàn)[7]提出將等Weber數(shù)作為給定試驗(yàn)速度的原則,即:

根據(jù)Weber數(shù)的定義,有:

其中σw/a為表面張力系數(shù),由式(12)可得:

需要注意的是,當(dāng)按照等Weber數(shù)選取試驗(yàn)速度時(shí),壓力將不能自由給定。采用式(13)給出的試驗(yàn)速度之后,根據(jù)式(10),此時(shí)將有一個(gè)唯一對應(yīng)的壓力值。

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s比之后,試驗(yàn)的水滴直徑dm要比參考水滴直徑df小,導(dǎo)致按照式(13)計(jì)算的試驗(yàn)速度Vm大于參考速度Vf,這往往會(huì)超出結(jié)冰風(fēng)洞的能力范圍。如果試驗(yàn)速度達(dá)不到等Weber數(shù)的要求,有必要分析試驗(yàn)Weber數(shù)與要求Weber數(shù)不同所導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果差異,并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。

2 結(jié)冰外形修正方法

2.1 冰形相對誤差的量化

冰形修正的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程,首先必須有一個(gè)基本的目標(biāo)函數(shù),取為修正后的冰形與目標(biāo)冰形的相對誤差,在此基礎(chǔ)上才能建立冰形修正方法,使得修正后的冰形與目標(biāo)冰形吻合得更好。因此,冰形修正的首要工作是建立冰形相對誤差的定量計(jì)算方法。本文采用平均冰形幾何特征量對比的方法對兩組冰形的相對誤差進(jìn)行量化。

冰的外形輪廓可以分為流線型和角狀型兩大基本類型[12]。如圖1所示,流線型冰相對比較簡單,采用駐點(diǎn)厚度Ts、駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角At、冰最大寬度Wm、結(jié)冰上極限Su和結(jié)冰下極限Sl等五個(gè)特征量就能基本描述其宏觀輪廓,而角狀冰相對復(fù)雜,需由八個(gè)特征量來描述,包括駐點(diǎn)冰厚度Ts、駐點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角At、上/下冰角的厚度(Hu和Hl)、上/下冰角的角度(Au和Al)、結(jié)冰上極限Su和結(jié)冰下極限Sl。

圖1 冰形特征量Fig.1 Geometric characteristics of ice

冰形修正時(shí),只需針對冰形的基本幾何特征量進(jìn)行修正,根據(jù)修正后的特征量得到相關(guān)特征點(diǎn)的修正值,進(jìn)而采用TFI方法[14]得到修正后的整個(gè)冰形。

2.2 冰形幾何特征量的修正模型

冰形及其特征量受基體幾何尺寸、液態(tài)水含量、水滴粒徑、來流速度、溫度、結(jié)冰時(shí)間等多個(gè)參數(shù)的共同影響,需要通過對各參數(shù)的影響程度進(jìn)行準(zhǔn)確地分析,才能建立合理可靠的修正模型。在結(jié)冰這一復(fù)雜過程中,冰形特征量與控制參數(shù)之間關(guān)系的系統(tǒng)方程過于復(fù)雜,各參數(shù)的靈敏度指標(biāo)(一般取為一階靈敏度系數(shù),即系統(tǒng)輸出對系統(tǒng)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù))無法直接計(jì)算得到,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[15-16]在復(fù)雜非線性關(guān)系的模擬方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢,可用于冰形特征量的修正。

圖2為冰形與云霧參數(shù)之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,其中

輸入向量:X=(x0,x1,x2,…,xn)T

隱層輸出向量:Y=(y0,y1,y2,…,ym)T

輸出層輸出向量:O=(o1,o2,…,ol)T

期望輸出向量:d=(d1,d2,…,dl)T

x0,x1,x2…,xn分別代表液態(tài)水含量、水滴粒徑等輸入?yún)?shù);o0,o1…,ol分別代表采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測的冰形特征量;d1,d2,…,dl分別代表冰形期望特征量,也即是數(shù)值預(yù)測或冰風(fēng)洞試驗(yàn)得到的冰形特征量。

V=(V1,V2,…,Vm)、W=(W1,W2,…,Wl)分別為輸入層到隱層、隱層到輸出層之間的權(quán)值矩陣。隱層和輸出層的激活函數(shù)取為:

圖2 三層BP模型Fig.2 Three-layer BP model

冰形特征量的修正值計(jì)算公式如下:

3 Weber數(shù)變化對結(jié)冰的影響研究

針對某超臨界翼型在典型Weber數(shù)條件的結(jié)冰結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)冰計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[10]。在保持慣性因子、聚集因子、凍結(jié)比例和水滴能量傳遞勢為常數(shù)的前提下,考察了Weber數(shù)變化對結(jié)冰外形的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上針對Weber數(shù)偏差導(dǎo)致的結(jié)冰外形偏差進(jìn)行了修正。

3.1 典型Weber數(shù)條件下的超臨界翼型結(jié)冰計(jì)算

研究所采用的超臨界翼型源自某型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼剖面,如圖3所示。翼型弦長3m,最大厚度0.35m,結(jié)冰計(jì)算條件為:特征尺寸3 m,迎角0°,速度90 m/s,壓強(qiáng)84606Pa,溫度-8.8℃,水滴直徑20μm,液態(tài)水含量0.5 g/m3,結(jié)冰時(shí)間30 min,由該條件計(jì)算的Weber數(shù)為2.49×103。

圖3 計(jì)算采用的超臨界翼型Fig.3 Supercritical airfoil for simulation

圖4給出的是繞翼型的流場分布,圖5給出的是水滴收集率曲線,水滴收集率的最大值為0.43,其位置在翼型前緣點(diǎn)偏上,這是由翼型的外形及流場分布所決定。圖6顯示的是結(jié)冰外形,可以發(fā)現(xiàn),冰體呈角冰形狀,是典型的明冰,駐點(diǎn)冰厚較小,只有1.2 cm,下冰角長度4.5 cm,上冰角比下冰角更突出,厚度為5.7 cm。

圖4 繞翼型的流場分布Fig.4 Distribution of flowfield about the airfoil

圖5 水滴收集率曲線(We=2.49×103)Fig.5 Curve of water droplet collection efficiency (We=2.49×103)

圖6 翼型表面結(jié)冰外形(We=2.49×103)Fig.6 Ice shape on the airfoil(We=2.49×103)

3.2 Weber數(shù)變化對結(jié)冰的影響

為了考察Weber數(shù)變化對結(jié)冰外形的影響規(guī)律,以We=2.49×103典型算例的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),保持慣性因子、聚集因子、凍結(jié)比例和水滴能量傳遞勢為常數(shù),分別增加和減少Weber數(shù),進(jìn)行結(jié)冰外形進(jìn)行了計(jì)算。

圖7給出的是在We=2.49×103的基準(zhǔn)上,Weber數(shù)分別減少10%(We=2.24×103)、30%(We=1.74 ×103)和50%(We=1.25×103)之后的水滴收集率分布曲線。圖8給出的是結(jié)冰外形。對比表明,不同Weber數(shù)條件下的水滴收集率和結(jié)冰外形均保持一致,說明在計(jì)算的Weber數(shù)范圍內(nèi),只要慣性因子、聚集因子、凍結(jié)比例和水滴能量傳遞勢保持不變, Weber數(shù)減小至基準(zhǔn)Weber數(shù)50%以內(nèi),水滴收集率和結(jié)冰外形均不受影響。

圖7 水滴收集率對比(減小Weber數(shù))Fig.7 Comparison of water droplet collection efficiency (decreasing Weber number)

圖9給出的是在We=2.49×103的基準(zhǔn)上,Weber數(shù)分別增加10%(We=2.74×103)、30%(We=3.29 ×103)和50%(We=3.74×103)之后的水滴收集率分布曲線。計(jì)算表明不同Weber數(shù)條件下的水滴收集率保持一致,說明Weber數(shù)增加對水滴收集率無影響。圖10給出的是結(jié)冰外形對比,可以發(fā)現(xiàn),隨著Weber數(shù)增加,結(jié)冰外形有明顯變化,具體變化趨勢為:駐點(diǎn)冰厚保持不變,上冰角向后上方移動(dòng),下冰角向后下方移動(dòng),冰體的迎風(fēng)面積增加,上下冰角之間的張角增加。Weber數(shù)增加10%時(shí)的冰形與基準(zhǔn)冰形接近,Weber數(shù)增加大于30%之后的冰形與基準(zhǔn)冰形有明顯差異。

圖8 結(jié)冰外形對比(減小Weber數(shù))Fig.8 Comparison of ice shape(decreasing Weber number)

圖9 水滴收集率對比(增加Weber數(shù))Fig.9 Comparison of water droplet collection efficiency (increasing Weber number)

圖10 結(jié)冰外形對比(增加Weber數(shù))Fig.10 Comparison of ice shape(increasing Weber number)

圖11給出的是上冰角與下冰角之間的張角隨著Weber數(shù)變化而改變的曲線?？梢钥吹?Weber數(shù)小于2.24×103時(shí),Weber數(shù)變化對張角影響較小, Weber數(shù)從1.25×103增加至于2.24×103,張角僅增加2°。Weber數(shù)大于2.24×103之后,張角隨著Weber數(shù)增加而增加的幅度明顯加大,Weber數(shù)從2.24×103增加至于3.79×103,張角增加達(dá)21°。

對比分析圖8、圖10和圖11可知,在慣性因子、聚集因子、凍結(jié)比例和水滴能量傳遞勢保持不變的情況下,存在一個(gè)敏感Weber數(shù)。低于敏感值時(shí),Weber數(shù)變化對結(jié)冰影響不大,而Weber數(shù)高于敏感值時(shí), Weber數(shù)變化對結(jié)冰有明顯影響。對于文本的算例,Weber數(shù)的敏感值在2.24×103附近。

圖11 不同Weber數(shù)條件下的冰角張角Fig.11 Angles between upper and lower ice horns for different Weber number

4 基于等Weber數(shù)的結(jié)冰外形修正

從第3節(jié)的計(jì)算結(jié)果可以看出,在只有Weber數(shù)存在誤差、其他相似量保持常數(shù)的前提下,冰形特征量的變化將主要體現(xiàn)為上下兩個(gè)冰角特征的改變。因此,盡管角狀冰有八個(gè)特征量,但若僅僅變化Weber數(shù),只需要修正上下冰角長度及角度這四個(gè)量就能基本保證冰形修正的精度。n組Weber數(shù)和對應(yīng)的冰形上下冰角長度及角度四個(gè)特征量可以構(gòu)成四個(gè)三次樣條函數(shù),對應(yīng)的坐標(biāo)分別為:冰形修正處理時(shí),修正前后的Weber數(shù)分別為Weo和Wec,基于修正前Weber數(shù)得到的冰形對應(yīng)的各特征量分別為Ci(Weo),則可根據(jù)如下公式進(jìn)行各特征量的修正:

修正后的冰形數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)為:

s1(ξ),s2(ξ)分別為冰形對應(yīng)左右特征點(diǎn)的距離。

若試驗(yàn)需要模擬We=1.25×103條件下的冰形,實(shí)施過程中由于控制、測量或試驗(yàn)條件受限等原因使得真實(shí)試驗(yàn)條件為We=3.74×103,采用本文的修正方法對冰形進(jìn)行修正,圖12給出了修正前后冰形與目標(biāo)冰形的對比。從圖12中可看出,修正后的冰形上下冰角位置、駐點(diǎn)位置、整體輪廓等都明顯比修正前的冰形與目標(biāo)冰形的吻合度更好。

圖12 冰形修正結(jié)果(減少Weber數(shù))Fig.12 Ice modification result(decreasing Weber number)

反之,若試驗(yàn)需要模擬We=3.74×103條件下的冰形,實(shí)施過程中由于控制、測量或試驗(yàn)條件受限等原因使得真實(shí)試驗(yàn)條件為We=1.25×103,采用本文的修正方法對冰形進(jìn)行修正,圖13為修正前后冰形與目標(biāo)冰形的對比。修正后的冰形也明顯比修正前的冰形與目標(biāo)冰形更吻合。

圖13 冰形修正結(jié)果(增加Weber數(shù))Fig.13 Ice modification result(increasing Weber number)

5 結(jié) 論

根據(jù)幾何特征量進(jìn)行結(jié)冰外形修正的方法,對某超臨界翼型的結(jié)冰情況進(jìn)行了數(shù)值仿真,研究了Weber數(shù)變化對結(jié)冰的影響規(guī)律,開展了基于等Weber數(shù)的結(jié)冰外形修正,得到如下結(jié)論:

(1)在慣性因子、聚集因子、凍結(jié)比例和水滴能量傳遞勢保持不變的情況下,Weber數(shù)變化主要影響冰角特征,對水滴收集特性、駐點(diǎn)冰厚和結(jié)冰極限等影響較小;

(2)存在一個(gè)敏感Weber數(shù),低于敏感值時(shí), Weber數(shù)變化對冰形影響不大,當(dāng)Weber數(shù)高于敏感值時(shí),Weber數(shù)變化對冰形將有明顯影響;

(3)根據(jù)幾何特征量進(jìn)行冰形修正的方法能保證冰形的宏觀輪廓與目標(biāo)冰形一致,修正后的冰形能適量消除由于Weber數(shù)誤差導(dǎo)致的冰形差異,提高試驗(yàn)的精度。

Weber數(shù)對結(jié)冰的影響及相應(yīng)的冰形修正,涉及到復(fù)雜空氣流場中液態(tài)水在物面的撞擊特性及動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。本文工作是對該問題的初步探索,雖然結(jié)果讓人滿意,但還需進(jìn)一步深入和完善,尤其需要開展大量的試驗(yàn)研究和驗(yàn)證工作。

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Ice shape modification based on constant Weber number

Yi Xian1,Guo Long1,Zhou Zhihong1,2,*,Du Yanxia1,Zhu Guolin1
(1.State Key Laboratory of Aerodynamics,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang621000,China; 2.Department of Engineering Mechanics,Sichuan University,Chengdu610065,China)

The Weber number in an icing wind tunnel test is often different from that of the real flight icing condition due to the limitation of facility capacity.In order to obtain consistent result of aimed Weber number,the test ice shape need to be modified.The reason of icing test data correction is analyzed in this paper.A method for ice shape modification based on the ice geometric features is proposed.The ice shape of a supercritical airfoil is simulated under the condition of different Weber number,and the effect of Weber number on icing is studied.Then the ice shape modification based on constant Weber number is carried out.It is found that:(1) The Weber number mainly affects ice horns,and has little influence on droplet collection,icing limit and thickness;(2)There is a sensitive value existed,as the Weber number changes smaller than the value ice varies little,while the Weber number is bigger than the value,ice will vary obviously according to the change of this Weber number;(3)The proposed ice modification method can guarantee the agreement between the modified and the target ice shape,so the ice shape differences caused by Weber number differences can be amount to eliminated,and the precision of test will be improved.

aircraft icing;Weber number;ice shape modification;icing wind tunnel;icing scaling law;icing test;flight safety

V211.3

A

10.7638/kqdlxxb-2016.0039

0258-1825(2016)06-0697-07

2016-01-28;

2016-02-02

國家自然科學(xué)基金(11172314,11472296);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2015CB755800)

易賢(1977-),男,四川省金堂縣人,研究員,研究方向:飛機(jī)結(jié)冰.E-mail:yixian_2000@163.com

周志宏*(1981-),男,湖南漣源人,副研究員,研究方向:飛機(jī)結(jié)冰.E-mail:zzhng@163.com

易賢,郭龍,周志宏,等.基于等Weber數(shù)的結(jié)冰外形修正[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2016,34(6):697-703.

10.7638/kqdlxxb-2016.0039 Yi X,Guo L,Zhou Z H,et al.Ice shape modification based on constant Weber number[J]. Acta Aerodynamica Sinica,2016,34(6):697-703.