張鋒 張瑋欣

摘 ? 要：基于某大型民用客機(jī)，采用數(shù)值仿真方法，仿真計(jì)算試驗(yàn)機(jī)的水滴撞擊特性。選取機(jī)身、機(jī)翼上可能的安裝點(diǎn)位，通過(guò)對(duì)比分析安裝點(diǎn)位附近的LWC與遠(yuǎn)場(chǎng)LWC，確定安裝點(diǎn)位處安裝結(jié)冰氣象探測(cè)器（CCP）所需的安裝高度，研究結(jié)冰氣象探測(cè)器（CCP）在試驗(yàn)機(jī)機(jī)身、機(jī)翼上的安裝位置、高度之間的關(guān)系。為試驗(yàn)機(jī)結(jié)冰試飛中CCP探測(cè)器位置的選取和安裝高度的確定提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰試飛 ?結(jié)冰氣象探測(cè)器 ?安裝位置 ?計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：V244 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0034-04

1 ?引言

飛機(jī)結(jié)冰常常會(huì)給飛行安全帶來(lái)極大的危害，需要在試飛階段根據(jù)相關(guān)適航條款，對(duì)待定型的飛機(jī)進(jìn)行自然結(jié)冰試驗(yàn)驗(yàn)證，以充分了解待定型飛機(jī)的結(jié)冰特性、防除冰系統(tǒng)的工作性能與工作邏輯，以及結(jié)冰對(duì)飛行性能、飛行品質(zhì)的影響等，找出設(shè)計(jì)缺陷，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考，從而保證后期商業(yè)運(yùn)行中的飛行安全。

自然結(jié)冰試飛需要苛刻的氣象條件，CCAR-25-R4.附錄C對(duì)此有著嚴(yán)格的規(guī)定。結(jié)冰氣象探測(cè)器（CCP）作為國(guó)際上公認(rèn)的結(jié)冰氣象探測(cè)設(shè)備，可以精準(zhǔn)測(cè)量結(jié)冰氣象的相關(guān)參數(shù)（LWC與MVD），為自然結(jié)冰試飛提供真實(shí)的結(jié)冰環(huán)境參數(shù)支持。在真實(shí)的結(jié)冰試飛中，由于氣流的影響，結(jié)冰氣象探測(cè)器能否準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)參數(shù)主要取決于其在飛機(jī)上的安裝位置。所以需要研究結(jié)冰氣象探測(cè)器（CCP）在試驗(yàn)機(jī)上的安裝位置，以保證其可以準(zhǔn)確測(cè)量試驗(yàn)機(jī)所處的自然結(jié)冰氣象條件，從而保證試飛科目的有效性及符合性。

2 ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

George A.Isaac等人提出了結(jié)冰氣象探測(cè)器安裝位置選取的一些基本原則，定性地給出了通常的安裝位置[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)結(jié)冰氣象探測(cè)器的研究相對(duì)較少，主要研究了結(jié)冰探測(cè)器的種類、原理及安裝位置等。張杰等人研究了國(guó)內(nèi)外的結(jié)冰探測(cè)傳感器的原理、類別等[2]，朱程香等人研究了探頭式結(jié)冰探測(cè)器的安裝位置[3]，劉巍等人研究了平模式結(jié)冰探測(cè)器的安裝位置[4]。

結(jié)冰氣象探測(cè)器（CCP）不同于結(jié)冰探測(cè)器，它是機(jī)載粒子測(cè)量系統(tǒng)的一種，測(cè)量對(duì)象為試驗(yàn)機(jī)所處的結(jié)冰氣象條件，主要為液體水含量（LWC）和平均有效水滴直徑（MVD）。結(jié)冰氣象探測(cè)器基本尺寸為970mm×220mm×290mm，重量約13kg（見(jiàn)圖1）。

3 ?研究方法

基于某大型民用客機(jī)，根據(jù)試飛需求，選取典型的計(jì)算狀態(tài)，采用數(shù)值仿真方法，計(jì)算仿真試驗(yàn)機(jī)的水滴撞擊特性。選取機(jī)身、機(jī)翼上典型的安裝點(diǎn)位，通過(guò)對(duì)比分析研究點(diǎn)位附近的LWC與遠(yuǎn)場(chǎng)的LWC，確定安裝點(diǎn)位的安裝高度，繪制安裝位置-高度曲線圖，研究結(jié)冰氣象探測(cè)器（CCP）在試驗(yàn)機(jī)機(jī)身、機(jī)翼上安裝位置和安裝高度之間的關(guān)系。

3.1 安裝基本原則

根據(jù)CCAR-25-R4.附錄C的規(guī)定，結(jié)合實(shí)際的結(jié)冰飛行條件和探測(cè)器的特性，提出以下安裝原則：

（1）避開水滴遮蔽區(qū);

（2）對(duì)于20～40μm直徑的液滴，都能探測(cè)到;

（3）在飛機(jī)的有效飛行迎角、側(cè)滑角范圍內(nèi)，探測(cè)器均有效;

（4）安裝在液態(tài)水含量值（LWC）梯度變化較平緩的區(qū)域。

3.2 計(jì)算狀態(tài)

（1）飛行條件。

V：100m/s

H：3km

AOA：0;4;8;12

β：-8;-4;0;4;8

（2）結(jié)冰氣象條件。

MVD：20um，40um

LWC：1g/m^2

T：-10°C

3.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)不帶探測(cè)器的干凈試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在機(jī)身表面生成棱柱網(wǎng)格以模擬附面層，飛機(jī)第一層附面層網(wǎng)格高度為飛機(jī)平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)的10-4量級(jí)，相鄰兩層附面層厚度之比為1.2，半模網(wǎng)格量約800萬(wàn)，圖2為該試驗(yàn)機(jī)的半模非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

3.4 空氣流場(chǎng)計(jì)算

采用三維可壓縮流定常N-S方程的積分形式進(jìn)行數(shù)值模擬，其通式在直角坐標(biāo)系中可表示為：

式（1）中各變量的定義見(jiàn)文獻(xiàn)[5]，計(jì)算中采用格心格式的有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，湍流模型選擇SST ?k-ω模型，計(jì)算中涉及的邊界條件有遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件和物面邊界條件，遠(yuǎn)場(chǎng)邊界距離模型20倍的機(jī)身長(zhǎng)度，物面為無(wú)滑移邊界條件。

3.5 水滴撞擊特性計(jì)算

在空氣流場(chǎng)計(jì)算仿真的基礎(chǔ)上，采用歐拉法，建立質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒控制方程，計(jì)算試驗(yàn)機(jī)周圍的液態(tài)水含量分布情況，得到試驗(yàn)機(jī)的水滴撞擊特性。

4 ?結(jié)果及分析

4.1 基本規(guī)律

（1）水滴直徑（MVD）越大，遮蔽區(qū)越大。

（2）飛行迎角越大，水滴遮蔽區(qū)越大。

在機(jī)身對(duì)稱面和機(jī)翼各剖面區(qū)域，遮蔽區(qū)隨著MVD和迎角的增加而增大。由于直徑大的水滴慣性相對(duì)較大，氣流對(duì)其產(chǎn)生的影響相對(duì)較小，在相同的迎角下，其運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)更接近于直線，所以大水滴遮蔽區(qū)相對(duì)較大，見(jiàn)圖3;在相同的MVD情況下，水滴慣性相同，氣流對(duì)其影響相當(dāng)，飛行迎角的增加使得上翼面的水滴遮蔽區(qū)相對(duì)較大，見(jiàn)圖4。

4.2 機(jī)翼安裝分析

由圖5可知，當(dāng)飛機(jī)以20°側(cè)滑角飛行時(shí)，機(jī)翼內(nèi)側(cè)處于機(jī)身水滴裝機(jī)特性的影響區(qū)內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙對(duì)機(jī)翼水滴撞擊特性的影響在展向位置不會(huì)超過(guò)9.3m，選擇機(jī)翼展向10m和15m處剖面研究CCP探測(cè)器的安裝位置和安裝高度。

由4.1可知，在正迎角飛行時(shí)，機(jī)翼上的水滴遮蔽區(qū)主要集中在上翼面，所以上翼面不適于安裝CCP探測(cè)器。在下翼面，飛機(jī)迎風(fēng)區(qū)域附近有較高的液態(tài)水含量分布區(qū)，該區(qū)域?yàn)橐簯B(tài)水含量的濃度增加區(qū)，再往外發(fā)展，濃度增加區(qū)慢慢變?nèi)酰敝镣h(yuǎn)場(chǎng)的濃度。圖6為機(jī)翼下翼面安裝CCP探測(cè)器所需要的支撐高度隨當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)的關(guān)系。由圖6可知：

（1）在機(jī)翼展向10m和15m的處，下翼面安裝CCP探測(cè)器所需的安裝高度和位置規(guī)律相似。

（2）在各種飛行和氣象條件下，機(jī)翼下翼面安裝CCP探測(cè)器所需高度均不超過(guò)0.33m，易于滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

（3）當(dāng)MVD相同時(shí)，隨著飛行迎角的增大，在同一位置安裝CCP探測(cè)器所需要的高度越高。

當(dāng)迎角相同時(shí)，MVD越大，在同一位置安裝CCP探測(cè)器所需的高度越高。

4.3 機(jī)身安裝分析

機(jī)身單側(cè)加裝CCP探測(cè)器一般會(huì)產(chǎn)生較大的非對(duì)稱力矩，對(duì)載機(jī)的操穩(wěn)特性影響較大，一般不建議加裝在飛機(jī)側(cè)方。選取機(jī)身對(duì)稱面上、下各5個(gè)安裝點(diǎn)位，見(jiàn)圖7，研究機(jī)身對(duì)稱面處安裝位置與安裝高度之間的關(guān)系，見(jiàn)圖8，由圖8可知：

（1）機(jī)背安裝CCP探測(cè)器所需要的支撐高度遠(yuǎn)大于機(jī)腹，這主要是由于飛機(jī)正迎角飛行時(shí)，機(jī)背遮蔽區(qū)遠(yuǎn)大于機(jī)腹所致。

（2）機(jī)背安裝CCP探測(cè)器，在所有飛行迎角下，安裝位置越遠(yuǎn)離機(jī)頭，所需要的高度越高;在相同的安裝位置，安裝探測(cè)器所需高度隨迎角的增加而增大，隨MVD的增大而增大。若使安裝高度小于1m，需要在X<10m處安裝。

機(jī)腹安裝CCP探測(cè)器，當(dāng)飛行迎角為0°時(shí)，安裝位置越遠(yuǎn)離機(jī)頭，安裝探測(cè)器所需要的高度越大;在其他正迎角下，安裝高度隨飛機(jī)縱坐標(biāo)變化較小;在相同的安裝位置，安裝探測(cè)器所需高度隨MVD的增大而增加。在X=10m處，安裝高度需不小于0.52m。

5 ?結(jié)語(yǔ)

基于某大型民用客機(jī)，分析研究了CCP探測(cè)器在試驗(yàn)機(jī)上可能的安裝位置，給出了機(jī)身和機(jī)翼下翼面安裝位置和安裝高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成主要結(jié)論如下：

（1）機(jī)背和機(jī)翼上翼面遮蔽區(qū)隨著水滴直徑MVD和飛行迎角的增加而增大。

（2）機(jī)翼外側(cè)下翼面安裝CCP探測(cè)器時(shí)，安裝高度均小于0.33m。

（3）在機(jī)身背部安裝使安裝CCP探測(cè)器時(shí)，若要使安裝高度小于1m，則需要在X<10m處確定安裝位置。

（4）機(jī)身腹部雖然相對(duì)機(jī)身背部所需的安裝高度較低，但由于CCP探測(cè)器對(duì)環(huán)境的較高要求，實(shí)際使用中并不推薦安裝在機(jī)腹。

參考文獻(xiàn)

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