CN111291311B - 一种积冰密度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供一种积冰密度测量方法，将两个直径不同高度相同的圆柱作为液态水收集部件置于试验风洞中，进行结冰试验；试验结束后，测量两个液态水收集部件的最大结冰厚度h 1 和h 2 ；计算两个液态水收集部件的驻点处的水滴收集率
Figure 267348DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 18266DEST_PATH_IMAGE002
；根据以下公式计算液态水含量积冰密度
Figure 781823DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 943683DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure 159900DEST_PATH_IMAGE005
为蒸发质量，t为结冰时间。本方法采用间接测量方法，测量方法简单，不需要使用有危险性的液体，提高了测量的安全性；可以测量多种类型的积冰，适用范围广，并且测量精度高。

Description

一种积冰密度测量方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种积冰密度测量方法。
背景技术
飞机在低于冰点的温度下飞行时，如果遇到含有过冷水滴的云层，云层中的水滴撞击在飞机表面上，就会导致积冰。飞机积冰是飞行实践中广泛存在的一种现象，也是造成飞行安全事故的主要隐患之一。积冰会改变飞机的绕流流场，导致部件载荷分布发生变化，从而破坏空气动力学性能，影响飞机的操纵性和稳定性，危害飞行安全，轻者会使安全飞行范围减小，重者会导致机毁人亡的严重事故。
根据过冷水滴在飞机表面冻结过程的不同，通常可以将飞机积冰分为以下三类：（1）霜冰（Rime ice），这种冰一般呈干燥的乳白色的流线型外表，组织比较疏松，容易脱落；（2）明冰（Glaze ice），这种冰发表面光滑，冰体透明并且组织致密，与表面的连接力大；（3）混合冰（Mixed ice）,由以上两种冰混合组成，表面粗糙不平，又不容易脱落。这几种冰在外观和力学性能上存在如此差异，主要来源于积冰密度的差异。研究发现，不同类型的冰密度在200~900kg/m3之间，来流风速、水滴直径、液态水含量、温度等参数都与积冰密度有关。冰密度变化反应了冰的微观结构的变化，积冰密度越小，孔隙率越大。冰密度还会影响热传导系数，直接影响除冰过程，密度降低会提高积冰温度升高的速率，使积冰初始融化时刻提前，缩短整个融化过程。
传统测量冰密度方法是先试用高精度电子天平测量积冰的质量，然后采用排液法测量积冰体积。排液法是将冰块放进不与冰相溶的液体中，如四氯化碳、石油醚等，测量积冰排出的液体体积即积冰的体积。这种方法测量明冰密度相对较为准确，但是测量霜冰时会有较大误差，这是由于霜冰结构比较疏松，孔隙率较高，使用排液法测量体积时液体会渗入霜冰的空隙中，导致密度测量会有较大偏差。而且排液法一般使用挥发性强，有毒或者易爆的液体，而结冰风洞的试验段或驻室都相对密闭，空气流通性很差，在风洞里进行操作十分危险，所以必须在通风良好的场地进行。如果环境温度太高，在操作过程中可能会导致积冰发生融化，从而改变积冰的内部结构，导致密度测量出现偏差。
发明内容
为了解决传统测量方法导致的积冰密度测量偏差，本申请提出了一种间接测量积冰密度的方法。
试验风洞中的液态水收集部件上的结冰厚度容易测量得到，考虑蒸发质量后最大结冰厚度可通过以下公式求得：
Figure 515950DEST_PATH_IMAGE001
其中h为最大结冰厚度，LWC为液态水含量，
Figure 851378DEST_PATH_IMAGE002
为驻点水滴收集率，
Figure 536438DEST_PATH_IMAGE003
为空气流场 速度，t是结冰时间，
Figure 12418DEST_PATH_IMAGE004
是单位时间物体表面蒸发的液态水质量，
Figure 833744DEST_PATH_IMAGE005
是冰密度，n是冻结比 例。
在试验风洞中设置两个液态水收集部件获得最大结冰厚度h1和h2，分别带入上式可得
Figure 369767DEST_PATH_IMAGE006
Figure 276543DEST_PATH_IMAGE007
将上述两式联立，可以求得积冰密度表达式
Figure 697160DEST_PATH_IMAGE008
基于此，本文提供一种积冰密度测量方法，将两个直径不同高度相同的液态水收集部件置于试验风洞中，试验结束后，通过如下公式计算积冰密度：
Figure 497626DEST_PATH_IMAGE008
其中，h 1 和h 2 分别为两个液态水收集部件的最大冰厚度；
Figure 79917DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 362738DEST_PATH_IMAGE010
分别为两个 液态水收集部件的驻点处的水滴收集率；
Figure 321466DEST_PATH_IMAGE004
为蒸发质量，t是结冰时间。
进一步地，所述的水滴收集率的计算方法如下：
Figure 117384DEST_PATH_IMAGE011
其中K0为修正的惯性因子，其表达式为
Figure 260790DEST_PATH_IMAGE012
Figure 142158DEST_PATH_IMAGE013
Figure 638998DEST_PATH_IMAGE014
其中，MVD为水滴平均体积直径、
Figure 679635DEST_PATH_IMAGE015
空气密度、
Figure 869308DEST_PATH_IMAGE016
空气粘性系数、
Figure 237973DEST_PATH_IMAGE017
为水密 度，D为圆柱直径。
进一步地，所述的蒸发质量
Figure 663138DEST_PATH_IMAGE004
的计算方法如下：
Figure 168069DEST_PATH_IMAGE018
Figure 528643DEST_PATH_IMAGE019
为空气定压比热，
Figure 745123DEST_PATH_IMAGE020
为对流换热系数，
Figure 849345DEST_PATH_IMAGE021
为相对湿度，
Figure 739941DEST_PATH_IMAGE022
为边界层外缘 的压力，
Figure 130471DEST_PATH_IMAGE023
分别为结冰表面和边界层外缘对应的饱和水蒸气压。
进一步地，所述的两个收集液态水的工作部件之间的间距为L，L>2D1，D1为直径较大的液态水收集部件的直径。
进一步地，采用支撑架支撑两个液态水收集部件，并将所述的支撑架置于试验风洞的中心位置。
本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：
（1）本方法采用间接测量方法，测量方法简单，并且不需要使用有危险性的液体，提高了测量的安全性。
（2）本方法可以测量多种类型的积冰，适用范围广，并且测量精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明积冰密度测量方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的支撑架和液态水收集部件的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种基于间接法思路的积冰密度测量方法，如图1所示，具体步骤如下：
（1）选取两个直径分别为D 1和D 2（D 1>D 2），高度相同的圆柱作为液态水收集部件，并设计相应的支撑架使圆柱处于均匀云雾场中，为了防止两圆柱相的流场互干扰，间距L>2D 1；
如图2所示，液态水收集部件选取两个直径分别为50mm和100mm的圆柱，高为300mm，表面粗糙度Ra为0.8μm，材料为不锈钢材1Cr18Ni9Ti，用支具将测量圆柱安装在风洞中心，安装时两圆柱间距为200mm。
（2）控制至需要测量积冰密度的试验条件，选取合适的积冰时间进行试验；
（3）试验结束，分别测量两个圆柱的驻点处冰厚度——h 1和h 2；
（4）通过理论计算公式计算圆柱驻点处的水滴收集率——
Figure 473727DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 116061DEST_PATH_IMAGE025
Figure 720218DEST_PATH_IMAGE011
其中K0为修正的惯性因子，其表达式为
Figure 422595DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 253147DEST_PATH_IMAGE013
Figure 558227DEST_PATH_IMAGE014
其中，MVD为水滴平均体积直径、
Figure 423415DEST_PATH_IMAGE026
空气密度、
Figure 296693DEST_PATH_IMAGE027
空气粘性系数、
Figure 724130DEST_PATH_IMAGE028
为水密度，D为圆柱直径。
（5）采用下式计算蒸发质量
Figure 973846DEST_PATH_IMAGE029
，单位时间单位面积的蒸发质量主要受到结冰表 面和边界层外相对湿度和水蒸汽分压的影响
Figure 552595DEST_PATH_IMAGE030
Figure 596774DEST_PATH_IMAGE031
为空气定压比热，
Figure 136340DEST_PATH_IMAGE032
为对流换热系数，
Figure 783222DEST_PATH_IMAGE033
为相对湿度，
Figure 357423DEST_PATH_IMAGE034
为边界层外 缘的压力。
Figure 572503DEST_PATH_IMAGE035
分别为结冰表面和边界层外缘对应的饱和水蒸气压，可根据温度查 饱和水蒸汽参数表得到。
（6）将上述得到的相关参数带入下式计算积冰密度
Figure 723999DEST_PATH_IMAGE008
本方法采用间接测量方法，测量方法简单，并且不需要使用有危险性的液体，提高了测量的安全性；可以测量多种类型的积冰，适用范围广，并且测量精度高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种积冰密度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将两个直径不同高度相同的圆柱作为液态水收集部件置于试验风洞中，进行结冰试验；
试验结束后，测量两个液态水收集部件的最大结冰厚度h1和h2；
计算两个液态水收集部件的驻点处的水滴收集率β0，1和β0，2；
根据以下公式计算液态水含量积冰密度ρi：
Figure FDA0002553077730000011
其中，
Figure FDA0002553077730000012
为蒸发质量，t为结冰时间；
所述的水滴收集率β0的计算方法如下：
Figure FDA0002553077730000013
其中K0为修正的惯性因子，其表达式为：
Figure FDA0002553077730000014
Figure FDA0002553077730000015
Figure FDA0002553077730000016
其中，MVD为水滴平均体积直径、ρa空气密度、μa空气粘性系数、ρw为水密度，D为圆柱直径，ν∞为空气流场速度。
2.如权利要求1所述的一种积冰密度测量方法，其特征在于，所述的蒸发质量
Figure FDA0002553077730000017
的计算方法如下：
Figure FDA0002553077730000021
cp为空气定压比热，hc为对流换热系数，Hr为相对湿度，Pe为边界层外缘的压力，pv，s、pv，e分别为结冰表面和边界层外缘对应的饱和水蒸气压。
3.如权利要求1所述的一种积冰密度测量方法，其特征在于，所述的两个收集液态水的工作部件之间的间距为L，L>2D1，D1为直径较大的液态水收集部件的直径。
4.如权利要求1所述的一种积冰密度测量方法，其特征在于，采用支撑架支撑两个液态水收集部件，并将所述的支撑架置于试验风洞的中心位置。
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