CN111307406B - 一种结冰风洞液态水含量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种结冰风洞液态水含量测量方法，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，通过如下公式计算液态水含量：
Figure 82926DEST_PATH_IMAGE002
，本方法考虑了蒸发质量的影响，消除了蒸发对液态水含量测量时带来的误差；同时计算过程中避免了使用冰密度作为计算的参数，从而消除了冰密度对液态水含量测量时带来的误差，进而提高了结冰试验过程中液态水含量的测量精度。

Description

一种结冰风洞液态水含量测量方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种结冰风洞液态水含量测量方法。
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，就会导致结冰。飞机结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。结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。
结冰风洞是研究飞机结冰和防除冰问题的必须的设备，结冰风洞试验是验证飞机防除冰系统是否有效的重要方法之一。相较与常规风洞，结冰风洞含有两个特殊的系统，一是制冷系统，可以将温度降低到结冰温度，二是喷雾系统，可以产生微米级的水滴。结冰风洞需要多系统协同工作，涉及参数很多，所以准确测量云雾场参数对提高结冰风洞试验能力有着重要意义。
液态水含量（Liquid Water Content，简写为LWC）是指单位体积的空气中所含有的液态水的质量，是影响结冰形状和结冰类型的重要结冰云雾参数，直接影响结冰的严重程度。液态水含量的测量方法目前有四种方法：热线测量法、粒径测量/计数测量法、超声波测量方法以及冰生长测量方法。前三种方法都属于直接测量方法，可以实现快速测量，但是目前需要专门的测量系统，成本较高，使用条件也受到很多限制；冰生长法属于间接法，最常见的就是冰刀法，目前，国内外风洞中，冰刀法的测量结果被广泛认可，且在风洞校测中将冰刀装置作为基本手段，写入了结冰风洞校准规范。
但是冰刀法同样存在不足，在通过结冰厚度反算液态水含量时，将冰密度设为常数，例如3m×2m结冰风洞在校对液态水含量时，冰密度取880kg/m3。实际上在不同结冰环境下冰密度会在发生变化，不同类型的冰密度在200~900kg/m3，冰的密度直接影响积冰的外观。通常测量液态水含量时温度较低，结冰的种类为霜冰，霜冰的孔隙率十分高，密度远远小于选定的冰密度。此外，由于冰刀很薄，在结冰时间内结冰质量很小，蒸发的质量不可忽略。所以传统冰刀测量液态水含量存在一定误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结冰风洞液态水含量测量方法，以消除冰密度及蒸发对液态水含量测量时带来的误差。
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 110256DEST_PATH_IMAGE001
其中h为最大结冰厚度，LWC为液态水含量，
Figure 965080DEST_PATH_IMAGE002
为驻点水滴收集率，
Figure 948079DEST_PATH_IMAGE003
为空气流 场速度，t是结冰时间，
Figure 795819DEST_PATH_IMAGE004
是蒸发质量，即单位时间物体表面蒸发的液态水质量，
Figure 79032DEST_PATH_IMAGE005
是冰 密度，n是冻结比例，霜冰时n=1。
为了消除密度对测量结果的影响，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 370336DEST_PATH_IMAGE006
Figure 371790DEST_PATH_IMAGE007
两式联立可以消除冰密度项，并且得到液态水含量的表达式：
Figure 524685DEST_PATH_IMAGE009
基于此，本文提出一种结冰风洞液态水含量测量方法，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 662406DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 859032DEST_PATH_IMAGE013
；再根据以下公式计算液态水含量：
Figure 331470DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 537324DEST_PATH_IMAGE014
是蒸发质量，
Figure 795130DEST_PATH_IMAGE016
为空气流场速度。
进一步地，所述的水滴收集率的计算方法如下：
Figure 693816DEST_PATH_IMAGE017
其中K0为修正的惯性因子，其表达式为
Figure 155015DEST_PATH_IMAGE018
Figure 898980DEST_PATH_IMAGE019
Figure 276872DEST_PATH_IMAGE020
其中，MVD为水滴平均体积直径、
Figure 80880DEST_PATH_IMAGE021
空气密度、
Figure 278643DEST_PATH_IMAGE022
空气粘性系数、
Figure 341146DEST_PATH_IMAGE023
为水密度，D为圆柱直径。
进一步地，所述的蒸发质量
Figure 307965DEST_PATH_IMAGE014
的计算方法如下：
Figure 548453DEST_PATH_IMAGE024
Figure 233512DEST_PATH_IMAGE025
为空气定压比热，
Figure 584859DEST_PATH_IMAGE026
为对流换热系数，
Figure 156917DEST_PATH_IMAGE027
为相对湿度，
Figure 833886DEST_PATH_IMAGE028
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。
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：本方法是一种间接测量液态水含量的方法，考虑了蒸发质量的影响，消除了蒸发对液态水含量测量时带来的误差；同时计算过程中避免了使用冰密度作为计算的参数，从而消除了冰密度对液态水含量测量时带来的误差，进而提高了结冰试验过程中液态水含量的测量精度。
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本发明结冰风洞液态水含量测量方法的流程图；
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
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。
一种结冰风洞液态水含量测量方法，具体步骤如下，参考图1：
（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收集液态水的工作部件，并设计相应的支撑架使圆柱处于风洞中心，并且为了防止两圆柱的流场互相干扰，两圆柱间的间距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）选取合适的结冰条件进行试验，为了确保撞击到圆柱上的过冷水滴全部冻结，要求云雾场的温度要足够低，通常低于-18℃；
（3）试验结束，分别测量两个圆柱的最大冰厚度——h 1和h 2；
（4）通过以下公式计算圆柱驻点处的水滴收集率——
Figure 740662DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 630121DEST_PATH_IMAGE032
Figure 837111DEST_PATH_IMAGE033
其中K0为修正的惯性因子，其表达式为
Figure 668670DEST_PATH_IMAGE034
其中
Figure 62742DEST_PATH_IMAGE035
Figure 21471DEST_PATH_IMAGE036
其中，MVD为水滴平均体积直径、
Figure 551809DEST_PATH_IMAGE037
空气密度、
Figure 55734DEST_PATH_IMAGE038
空气粘性系数、
Figure 937103DEST_PATH_IMAGE039
为水密度，D为圆柱直径。
（5）采用下式计算蒸发质量
Figure 699522DEST_PATH_IMAGE040
，单位时间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 349946DEST_PATH_IMAGE041
Figure 274040DEST_PATH_IMAGE042
为空气定压比热，
Figure 891972DEST_PATH_IMAGE043
为对流换热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为相对湿度，
Figure 395766DEST_PATH_IMAGE045
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，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代入下述公式计算得到液态水含量
Figure 431855DEST_PATH_IMAGE009
可以看到，本发明所采用的液态水含量的计算方法加入了蒸发质量的参数，即考虑了蒸发质量的影响，并且计算公式中排除了密度的影响，从而能够消除采用传统冰刀测量液态水含量时存在的误差，进一步提高测量精度。
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 (3)

1.一种结冰风洞液态水含量测量方法，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；所述的两个液态水收集部件之间的间距为L，L>2D1，D1为直径较大的液态水收集部件的直径；
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LWC：
Figure FDF0000010005360000011
其中，
Figure FDF0000010005360000012
为蒸发质量，v∞为空气流场速度；
所述的蒸发质量
Figure FDF0000010005360000013
的计算方法如下：
Figure FDF0000010005360000014
其中，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。
2.如权利要求1所述的一种结冰风洞液态水含量测量方法，其特征在于，所述的水滴收集率的计算方法如下：
Figure FDF0000010005360000021
其中K0为修正的惯性因子，其表达式为
Figure FDF0000010005360000022
Figure FDF0000010005360000023
Figure FDF0000010005360000024
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。
3.如权利要求1所述的一种结冰风洞液态水含量测量方法，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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