申連洋，任永鵬，周少偉，萬(wàn) 雷

(1.海裝沈陽(yáng)局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院, 哈爾濱 150000； 3.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

燃?xì)廨啓C(jī)以其單位功率大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、噪音頻率低等優(yōu)勢(shì)得以快速發(fā)展，在船舶、航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著燃?xì)廨啓C(jī)功率的逐漸增大、應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸增多以及使用環(huán)境的逐漸惡劣，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣部件的結(jié)冰現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)出來(lái)[1-2]。燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣部件的結(jié)冰主要發(fā)生在進(jìn)氣濾清器、進(jìn)氣道轉(zhuǎn)角處、進(jìn)口支板及導(dǎo)流罩等位置，當(dāng)工作環(huán)境溫度極低、含水量較大時(shí)，也會(huì)在壓氣機(jī)前幾級(jí)葉片處產(chǎn)生積冰。這些位置的積冰會(huì)嚴(yán)重減小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣通流面積，擾亂進(jìn)氣流場(chǎng)均勻度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，增大耗油量，甚至引發(fā)壓氣機(jī)喘振，威脅發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全[3-4]。

目前，由于相關(guān)技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的結(jié)冰試驗(yàn)研究主要集中在航空領(lǐng)域，大多借助翼型結(jié)冰開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。1992年，美國(guó)NASA的Jaiwon Shint和Thomas H.Bond[5]在NASA Lewis研究中心的冰風(fēng)洞中對(duì)NACA0012翼型進(jìn)行了結(jié)冰測(cè)試。試驗(yàn)得到了翼型在一定條件下結(jié)冰的數(shù)據(jù)以及由于結(jié)冰而增加的阻力和模型的表面溫度。結(jié)果表明，在低溫下，結(jié)冰形狀的再現(xiàn)性是很好的，但只有在接近凍結(jié)溫度時(shí)的結(jié)冰才是均勻的。2001年洛克希德·馬丁航空公司的Jeffrey P. Luttrell和Timothy G. West[6]、2017年愛(ài)荷華州立大學(xué)的Haixing Li[7]均對(duì)翼型結(jié)冰進(jìn)行了相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)2013年中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心利用冰風(fēng)洞進(jìn)行了全尺寸不同錐角的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整流帽罩模型的結(jié)冰試驗(yàn)，為我國(guó)結(jié)冰風(fēng)洞的建設(shè)與研究提供了技術(shù)保障[8-9]。

然而，船用燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)流罩在結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境等多方面均不同于飛機(jī)翼型，需要進(jìn)行針對(duì)性更強(qiáng)的試驗(yàn)研究，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)冰冰形。為此，在前期研究的基礎(chǔ)上，基于自行設(shè)計(jì)搭建的利用自然低溫的開(kāi)口式船用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣結(jié)冰試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)某型號(hào)船用燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)流罩進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)研究，總結(jié)不同液態(tài)水含量情況下，導(dǎo)流罩的結(jié)冰規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

船用燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)流罩結(jié)冰試驗(yàn)所采用的結(jié)冰試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。該風(fēng)洞為一開(kāi)口吸入式結(jié)冰試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)由1-電機(jī)控制臺(tái)；2-電機(jī)；3-管道；4-高壓氣囊；5-噴槍；6-水槽；7-電子天平；8-導(dǎo)流罩試驗(yàn)件；9-流量表；10-離心風(fēng)機(jī)等部件構(gòu)成，試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖2所示。離心風(fēng)機(jī)可提供0～120 m/s的空氣流速；噴霧系統(tǒng)可提供直徑為0～100 μm呈正態(tài)分布的液態(tài)水含量。

該試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟承吞?hào)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)整流罩帽實(shí)物的縮比模型。試驗(yàn)階段，該模型被放置在結(jié)冰管道的最前端，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苯优c外界大氣環(huán)境接觸，結(jié)冰試驗(yàn)過(guò)程中保持試驗(yàn)件與氣流方向平行。

圖1 結(jié)冰試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chat of ice test-bed

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要研究不同的液態(tài)水含量分布對(duì)試驗(yàn)用整流罩帽結(jié)冰的影響。試驗(yàn)條件如表1所示，試驗(yàn)工況點(diǎn)分別對(duì)120 g、150 g、180 g的噴水量進(jìn)行試驗(yàn)，顆粒直徑為0～100 μm正態(tài)分布，以測(cè)試不同噴水量、不同液態(tài)水含量對(duì)試驗(yàn)件結(jié)冰冰形的影響。試驗(yàn)過(guò)程中保證液滴直徑不變，試驗(yàn)環(huán)境溫度恒定為3℃。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，本試驗(yàn)中對(duì)于液態(tài)水含量參數(shù)由噴霧系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)流量共同控制：

液態(tài)水含量LWC(g/m3)

此外，為保證組間、工況點(diǎn)間的對(duì)照作用，需要保證每個(gè)工況點(diǎn)具有相同的水滴系數(shù)，即氣流速度×液滴濃度分布×噴霧時(shí)間=常數(shù)[10-11]。

表1 噴水量對(duì)積冰冰型影響的試驗(yàn)條件Tab.1 Test condition of working water jet capacity influence on icing type

本試驗(yàn)的主要流程為：

(1)平行安裝試驗(yàn)件。

(2)氣流速度及試驗(yàn)溫度的設(shè)定。

(3)設(shè)定并調(diào)試噴霧系統(tǒng)以達(dá)到要求的液滴直徑及濃度分布。

(4)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，待氣流速度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定后開(kāi)啟噴霧系統(tǒng)，并記錄噴霧時(shí)間，利用攝像機(jī)對(duì)結(jié)冰全過(guò)程進(jìn)行記錄。

(5)關(guān)閉風(fēng)機(jī)，確認(rèn)最終冰型，然后對(duì)積冰進(jìn)行清理。

(6)設(shè)定下一數(shù)據(jù)點(diǎn)的結(jié)冰參數(shù)。

(7)對(duì)所有結(jié)冰冰型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。

(8)利用攝像機(jī)對(duì)不同時(shí)間段的冰型進(jìn)行記錄。為了獲得最終的冰型數(shù)據(jù)，后期利用photoshop軟件對(duì)攝像機(jī)記錄下的冰型進(jìn)行處理，描繪積冰的外輪廓，獲得冰型的二維數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖2可見(jiàn)，當(dāng)其他條件保持一致時(shí)，隨著液態(tài)水含量的增大，導(dǎo)流罩表面的積冰量逐漸增大，冰形外輪廓線逐漸變得不規(guī)則，形成了無(wú)規(guī)律的凸起。這主要是因?yàn)橄嗤瑫r(shí)間內(nèi)，隨著液態(tài)水含量的增大，導(dǎo)流罩表面能夠捕捉的液滴量就不斷增多，因此結(jié)冰量逐漸增大。而液態(tài)水含量的增大還會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰冰形從毛冰向混合冰發(fā)生過(guò)渡，這導(dǎo)致了冰形輪廓的不規(guī)則化。此外，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，在結(jié)冰過(guò)程開(kāi)始后第1 s內(nèi)的結(jié)冰冰層厚度要遠(yuǎn)大于后面沒(méi)時(shí)間內(nèi)的結(jié)冰厚度，這一方面可能是因?yàn)殡S著結(jié)冰過(guò)程的持續(xù)，結(jié)冰面積的擴(kuò)大導(dǎo)致結(jié)冰厚度的減小。另一方面，可能是由于結(jié)冰過(guò)程初期，液滴與試驗(yàn)件金屬直接接觸，液滴與固體壁面間的換熱更強(qiáng)，結(jié)冰量更大。當(dāng)結(jié)冰發(fā)展到后面階段時(shí)，液滴與冰層間進(jìn)行換熱，換熱強(qiáng)度降低，更多的液滴無(wú)法凍結(jié)，受氣流作用向下游移動(dòng)并脫離試驗(yàn)件表面。最后，從試驗(yàn)條件可知，本次試驗(yàn)均在環(huán)境溫度高于冰點(diǎn)0℃的條件下進(jìn)行，因此可以斷定，當(dāng)研究大流量、高流速氣動(dòng)部件的結(jié)冰問(wèn)題時(shí)，熱力學(xué)溫降是必須考慮的一個(gè)因素。

圖2 結(jié)冰形貌Fig.2 Ice morphology

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型號(hào)船用燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)流罩縮比模型進(jìn)行的開(kāi)口結(jié)冰試驗(yàn)，獲得的主要結(jié)論如下：

本研究設(shè)計(jì)搭建的試驗(yàn)臺(tái)及相應(yīng)試驗(yàn)方案具有一定的可重復(fù)性，可以對(duì)船用燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)流罩的結(jié)冰情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。同時(shí)，該試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)后續(xù)改造可適用于船用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣部件的結(jié)冰試驗(yàn)工作。

當(dāng)其他條件保持一致時(shí)，導(dǎo)流罩表面的積冰情況隨著液態(tài)水含量的增大而逐漸惡劣，積冰量逐漸增大，且冰形輪廓發(fā)展的更為不規(guī)則。

導(dǎo)流罩表面發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象時(shí)，積冰強(qiáng)度隨時(shí)間的推移逐漸下降。同時(shí)，高流速導(dǎo)致的熱力學(xué)溫降對(duì)導(dǎo)流罩表面的結(jié)冰有重要影響。