CN113899663A - 一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾mvd测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于结冰风洞结冰云雾计算领域，提供了一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，本发明通过在典型工况下实验，标定得到热线单元液滴蒸发比与MVD间的函数关系，并利用此关系进行后续的MVD计算。本发明采用多热线单元测量液态水含量，并基于液态水含量计算热线单元液滴蒸发比，并利用热线单元液滴蒸发比与MVD的关系计算MVD值。该方法可以快速、高效实现结冰云雾中液滴体积中值直径的计算，极大地提高结冰风洞云雾测量试验效率。

Description

一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法
技术领域
本发明涉及结冰风洞结冰云雾计算领域，尤其是涉及一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法。
背景技术
当飞机在云层中飞行时，云层中的过冷水滴（即温度低于冰点的液态水滴）会不断撞击飞机迎风面，导致其表面发生结冰现象。飞机结冰广泛存在于飞行实践中，并严重威胁飞行安全。
结冰风洞是开展飞机结冰研究及飞机部件防除冰系统验证的重要地面试验设备，其在飞机结冰适航审定中扮演着重要角色。结冰云雾环境模拟能力是结冰风洞性能的核心内容。结冰云雾微物理特征的准确测量与评估是结冰风洞准确模拟结冰云雾环境的关键，其中结冰云雾体积中值直径（Median Volume Diameter，MVD）是结冰风洞需要模拟的重要结冰云雾微物理特征之一。MVD定义为：将云雾液态水含量按照该直径参数分为两部分，其中大于该直径的液滴总体积与小于该直径的液滴总体积相等。
目前，国内结冰风洞通常采用机载式液滴测量仪测量结冰云雾MVD，例如相位多普勒干涉仪、液滴成像仪等。虽然这些仪器可以较好的测量结冰云雾液滴尺寸参数，但是存在实验安装复杂、测试周期长、后期数据处理复杂等问题，显著增加了结冰风洞云雾标定周期，降低了实验效率。
因此，亟需发展一种面向大型结冰风洞的结冰云雾液滴尺寸特征参数快速高效的测量及计算方法。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，通过对比不同热线单元测量的液态水含量参数，计算热线单元液滴蒸发比，根据蒸发比与MVD间的函数关系，获得云雾液滴尺寸特征参数。该方法可以快速、高效实现结冰云雾中液滴尺寸特征参数（体积中值直径）的计算，极大地提高结冰风洞云雾测量实验效率，本发明是这样实现的：
一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，在结冰风洞中设置多热线水含量测量仪1，本发明所述的多热线水含量测量仪是指含有多根热线单元的水含量测量仪，该水含量测量仪利用热线法测量云雾中的水含量；
所述多热线水含量测量仪1包括第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13；
所述第一热线单元11为半圆管型结构，所述半圆管型结构的内表面正对气流，其展向垂直于气流方向；
所述第二热线单元12为圆柱结构，其展向垂直于气流方向；
所述第三热线单元13为圆柱结构，其展向垂直于气流方向；
并且所述第二热线单元12的直径与第三热线单元13的直径之比为3-5之间；
结冰云雾体积中值直径MVD的计算为：
Figure 611190DEST_PATH_IMAGE001
,
其中，Re,12和Re,13分别为第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比，Se,12和Se,13分别为第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比拟合斜率，Offe,12和Offe,13分别为第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比拟合截距。
进一步地，第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比Re,12和Re,13为：
Figure 193481DEST_PATH_IMAGE002
LWC 11 、LWC 12 、LWC 13 分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13上的液态水含量。
进一步地，LWC 11 、LWC 12 、LWC 13 分别通过下式计算：
Figure 836821DEST_PATH_IMAGE003
式中，Ec,11、Ec,12和Ec,13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的液滴撞击系数，Le为液滴蒸发潜热，Cl为液态水比热，Te为液滴蒸发温度，Td为液滴初始温度；Ptotal,11、Ptotal,12和Ptotal,13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的测量功率，Pdry,11、Pdry,12和Pdry,13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的干功率；SV11、SV12和SV13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的采样体积。
进一步地，SV11、SV12 和SV13分别通过下式计算：
Figure 529970DEST_PATH_IMAGE004
,
其中，d11、d12和d13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的直径，而l11、l12和l13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的长度。
进一步地，所述多热线水含量测量仪还包括第四热线单元14，所述第四热线单元14为圆柱结构，其展向平行于气流方向；
Pdry,11、Pdry,12和Pdry,13分别通过下式计算：
Figure 640402DEST_PATH_IMAGE005
S11和Off11分别为第一热线单元11的拟合斜率和截距，S12和Off12分别为第二热线单元12的拟合斜率和截距，S13和Off13分别为第三热线单元（13）的拟合斜率和截距；Ptotal,14为第四热线单元14的测量功率。
进一步地，在标定实验条件下，第二热线单元12和第三热线单元13液滴蒸发比Re,12和Re,13与云雾体积中值直径MVD存在以下拟合关系：
Figure 393594DEST_PATH_IMAGE006
式中，MVDc,12和MVDc,13分别为第二热线单元12和第三热线单元13的临界云雾体积中值直径；通过在标定实验条件下测得的参数进行拟合，得到拟合参数Se,12、Se,13、Offe,12和Offe,13，分别定义为第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比拟合斜率，第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比拟合截距。
采用本发明的一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，相对于现有技术中直接采用机载式液滴测量仪测量结冰云雾MVD，至少具有以下有益效果：
1. 本发明前期通过标定出第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比拟合斜率和拟合截距后，在后期测量时，只需要计算液态水含量和第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比就可以直接计算出结冰云雾MVD值；而现有技术采用相位多普勒干涉仪、液滴成像仪等测量，需要安装仪器，测试周期长，后期数据处理复杂等；可以看出，采用本发明的测量方法非常地快速高效，能够显著缩短试验周期，提高实验效率；
2. 本发明采用多热线水含量测量仪可以在测量水含量的同时，经过简单的计算就同时得到了结冰云雾MVD，试验过程非常方便。
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是本发明实施例的多热线测量仪结构示意图；
图2是本发明实施例的典型工况下，各热线单元功率测量结果；
图3是本发明实施例的典型工况下，各热线单元液态水含量计算结果；
图4是本发明实施例的典型工况下，各热线单元液滴蒸发比计算结果和拟合曲线。
图中，1-多热线测量仪，2-环形探头，11-第一热线单元，12-第二热线单元，13-第三热线单元，14-第四热线单元。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
在结冰风洞中设置多热线水含量测量仪，所述多热线水含量测量仪1包括第一热线单元11、第二热线单元12、第三热线单元13和第四热线单元14；所述第一热线单元11为半圆管型结构，所述半圆管型结构的内表面正对气流，且其展向垂直于气流方向，11这种半圆管型结构有利于冰晶颗粒的收集及测量，适用于总水量（液态水含量与固态水含量之和）的测量；所述第二热线单元12为圆柱结构，且其展向垂直于气流方向；所述第三热线单元13为圆柱结构，其展向平行于气流方向；第二热线单元12和所述第三热线单元13适用于液态水含量的测量；所述第四热线单元14为圆柱结构，其展向平行于气流方向，第四热线单元14为参考单元，用于干空气对流换热损耗功率的测量；第一热线单元11、第二热线单元12、第三热线单元13和第四热线单元14均设置在环形探头2内部，如图1所示，各热线单元一般保持在140℃。
作为优选，第一热线单元11与第二热线单元12的直径相同，第二热线单元12的直径显著大于第三热线单元13，第二热线单元12的直径与第三热线单元13的直径比为3-5之间。
本发明的多热线水含量测量仪，不仅可以实现结冰云雾液态水含量的测量，而且可以实现结冰云雾液滴尺寸特征参数的快速高效测量计算。
具体而言，在撞击飞溅等现象的影响下，撞击到热线单元表面的液态水滴难以完全蒸发，一部分会再次进入气流，因此需引入液滴蒸发比进行修正，该参数定义为热线单元实际蒸发的液态水含量与云雾中实际液态水含量之比。对于第一热线单元11，因其特有的半圆管结构，可以有效减弱撞击飞溅等现象造成的测量水含量损失，一般认为在典型结冰云雾条件（15μm≤MVD≤50μm）下，第一热线单元11的液态水含量即为结冰云雾实际液态水含量，第一热线单元11的液滴蒸发比为1。而对于第二热线单元12和第三热线单元13，根据大量试验结果发现，当云雾MVD小于热线单元临界MVD时，热线单元测量的水含量认为无明显损失，液滴蒸发比为1，而当云雾MVD大于热线单元临界MVD时，热线单元液滴蒸发比与云雾MVD存在较好的线性关系。利用这一现象，采用多热线水含量测量仪测量结冰云雾液态水含量参数的同时，根据蒸发比与MVD间的函数关系，即可获得云雾液滴尺寸特征参数。
1. 获得各热线单元结冰云雾标定数据
根据结冰风洞常用试验条件，针对不同MVDbd参数，设置典型标定试验条件，包括气流速度Va、气流静温Ts和气流静压Ps。将多热线水含量测量仪放置于气流中，记录各工况下，第一热线单元11、第二热线单元12、第三热线单元13和第四热线单元14四根热线单元功率Ptotal的测量参数。
2. 计算各热线单元测量的液态水含量
结冰云雾中，热线单元为保持恒定的热线温度，需耗费一定的能量（即仪器测量得到的热线单元功率Ptotal），该功率由两部分组成，分别为补偿干空气对流换热损耗的功率和补偿云雾蒸发损耗的功率，定义为干功率Pdry和湿功率Pwet，则对于第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13，有关系：
Figure 134017DEST_PATH_IMAGE007
Ptotal,11、Ptotal,12和Ptotal,13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的测量功率，Pdry,11、Pdry,12和Pdry,13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的干功率，Pwet,11、Pwet,12和Pwet,13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的湿功率。
第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的干功率Pdry,11、Pdry,12和Pdry,13可以通过第四热线单元14测量功率Ptotal,14计算得到，表示为：
Figure 896437DEST_PATH_IMAGE008
式中，S11和Off11为第一热线单元11的拟合斜率和截距，S12和Off12为第二热线单元12的拟合斜率和截距，S13和Off13为第三热线单元13的拟合斜率和截距。
则得到第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的液态水含量：
Figure 999391DEST_PATH_IMAGE009
式中，Ec,11、Ec,12和Ec,13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的液滴撞击系数，该参数表征液态水滴撞击到热线单元表面的收集率，Le为液滴蒸发潜热，Cl为液态水比热，Te为液滴蒸发温度，标准大气压下（1atm），液滴蒸发温度为100℃；Td为液滴初始温度，一般情况下，液滴温度和颗粒温度与气流静温Ts一致；
SV11、SV12和SV13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的采样体积：
Figure 657905DEST_PATH_IMAGE010
其中，d11、d12和d13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的直径，而l11、l12和l13分别为第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的长度。
3. 获得各热线单元液滴蒸发比拟合关系
在撞击飞溅等现象的影响下，撞击到热线表面的液态水滴难以完全蒸发，一部分会再次进入气流，因此需引入液滴蒸发比进行修正，该参数定义为热线单元实际蒸发的液态水含量与云雾中实际液态水含量之比。第一热线单元11、第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比Re,11、Re,12和Re,13计算式为
Figure 292149DEST_PATH_IMAGE011
式中，LWC为结冰云雾实际液态水含量。对于第一热线单元11，因其特有的半圆管结构，可以有效减弱撞击飞溅等现象造成的测量水含量损失，一般认为在典型结冰云雾条件（15μm≤MVD≤50μm）下，Re,11=1，即此时第一热线单元11测量的液态水含量即为结冰云雾实际液态水含量。进而，Re,12和Re,13计算式化简为
Figure 567580DEST_PATH_IMAGE012
使用标定数据和计算的热线单元液态水含量，计算各标定条件下，第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比Re,12和Re,13。
由于撞击飞溅等现象造成的测量水含量损失与云雾液滴尺寸参数直接相关，并且根据大量实验数据发现，第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比Re,12和Re,13与云雾MVD存在确定的函数关系，表示为
Figure 541352DEST_PATH_IMAGE013
式中，MVDc,12和MVDc,13分别为第二热线单元12和第三热线单元13的临界云雾体积中值直径；当云雾MVD小于临界云雾体积中值直径时，热线单元测量的水含量认为无明显损失，此时Re,12=1，Re,13=1。并且根据大量试验结果发现，当云雾MVD大于该参数时，热线单元液滴蒸发比与云雾MVD存在较好的线性关系。此外，由于第二热线单元12的直径显著的大于第三热线单元13的直径，第二热线单元12具有更好的液滴蒸发能力，因此第二热线单元12的MVDc,12会明显大于MVDc,13。由此可见，第三热线单元13对小液滴尺寸云雾敏感，而第二热线单元12则对较大液滴尺寸云雾更敏感，借助这一现象，通过组合第一热线单元11和第二热线单元12的液滴蒸发比，即可实现典型结冰云雾条件（15μm≤MVD≤50μm）下液滴尺寸参数MVD的测量。
通过在标定实验条件下测得的参数进行拟合，得到拟合参数Se,12、Se,13、Offe,12和Offe,13。
4. 计算结冰云雾体积中值直径MVD
结冰云雾体积中值直径MVD的计算为：
Figure 370768DEST_PATH_IMAGE014
。
采用本发明的测量方法，可以分辨的最小云雾MVD为MVDc,13（Re,13=1），但对于典型结冰云雾条件（15μm≤MVD≤50μm），MVDc,13显著小于15μm，因此该方法适用于典型结冰云雾条件下的云雾MVD快速计算。
本实施例中，典型标定实验工况选取为：体积标定中值直径MVD=5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm和50μm，液态水含量LWC=1g/m3，气流速度Va=80m/s，气流静温Ts=-5℃，气流静压Ps=1atm。采集各工况下热线单元功率Ptotal，其中各MVD条件下热线单元功率如图2所示。
第一热线单元11的直径和长度为：d11=2.108mm，l11=22.962mm；第二热线单元的12的直径和长度为：d12=2.108mm，l12=21.184mm；第三热线单元的13的直径和长度为：d13=0.533 mm，l13=21.615 mm。
第一热线单元11的拟合斜率和截距分别为：S11=4.2933和Off11=1.6807；第二热线单元的12的热线单元拟合斜率和截距分别为：S12=5.4625和Off12=0.1844；第三热线单元的13的拟合斜率和截距分别为：S13=2.0959和Off13=1.4238。
使用采集的各热线单元功率，计算各热线单元液态水含量，计算结果如图3所示。
根据各MVD条件下热线单元液态水含量，计算各热线单元液滴蒸发比，计算结果如图4所示。进而获得第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比Re,12和Re,13与云雾MVD的函数关系，表示为
Figure 475996DEST_PATH_IMAGE015
其中，第二热线单元12和第三热线单元13的临界MVD分别为MVDc,12=20μm和MVDc,13=7μm。
则结冰云雾体积中值直径MVD计算式为：
Figure 314639DEST_PATH_IMAGE016
,
随后，对于典型实验工况，只需要计算各热线单元的液态水含量，计算第二热线单元12和第三热线单元13的液滴蒸发比，即可计算得到结冰云雾MVD。采用本发明的测量方法，可以高效快速地计算结冰云雾液滴尺寸参数。
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 (6)

1.一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，其特征在于，在结冰风洞中设置多热线水含量测量仪（1），所述多热线水含量测量仪（1）包括第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）；
所述第一热线单元(11)为半圆管型结构，所述半圆管型结构的内表面正对气流，其展向垂直于气流方向；
所述第二热线单元(12)为圆柱结构，其展向垂直于气流方向；
所述第三热线单元（13）为圆柱结构，其展向垂直于气流方向；
并且所述第二热线单元(12)的直径与第三热线单元（13）的直径的比值为3-5之间；
结冰云雾体积中值直径MVD的计算为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，Re,12和Re,13分别为第二热线单元（12）和第三热线单元（13）的液滴蒸发比，Se,12和Se,13分别为第二热线单元（12）和第三热线单元（13）的液滴蒸发比拟合斜率，Offe,12和Offe,13分别为第二热线单元（12）和第三热线单元（13）的液滴蒸发比拟合截距。
2.根据权利要求1所述的一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，其特征在于，第二热线单元（12）和第三热线单元（13）的液滴蒸发比Re,12和Re,13为：
Figure 455282DEST_PATH_IMAGE002
LWC 11 、LWC 12 、LWC 13 分别为第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）上的液态水含量。
3.根据权利要求2所述的一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，其特征在于，LWC 11 、LWC 12 、LWC 13 分别通过下式计算：
Figure 381649DEST_PATH_IMAGE003
式中，Ec,11、Ec,12和Ec,13分别为第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的液滴撞击系数，Le为液滴蒸发潜热，Cl为液态水比热，Te为液滴蒸发温度，Td为液滴初始温度；Ptotal,11、Ptotal,12和Ptotal,13分别为第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的测量功率，Pdry,11、Pdry,12和Pdry,13分别为第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的干功率；SV11、SV12和SV13分别为第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的采样体积。
4.根据权利要求3所述的一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，其特征在于，SV11、SV12 和SV13分别通过下式计算：
Figure 727180DEST_PATH_IMAGE004
,
其中，d11、d12和d13分别为第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的直径，而l11、l12和l13分别为第一热线单元(11)、第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的长度。
5.根据权利要求3所述的一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，其特征在于，所述多热线水含量测量仪（1）还包括第四热线单元（14），所述第四热线单元(14)为圆柱结构，其展向平行于气流方向；
Pdry,11、Pdry,12和Pdry,13分别通过下式计算：
Figure 80801DEST_PATH_IMAGE005
S11和Off11分别为第一热线单元(11)的拟合斜率和截距，S12和Off12分别为第二热线单元(12)的拟合斜率和截距，S13和Off13分别为第三热线单元（13）的拟合斜率和截距；Ptotal,14为第四热线单元(14)的测量功率。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种大型结冰风洞中复杂结冰云雾MVD测量方法，其特征在于，在标定实验条件下，第二热线单元(12)和第三热线单元（13）液滴蒸发比Re,12和Re,13与云雾体积中值直径MVD存在以下拟合关系：
Figure 629725DEST_PATH_IMAGE006
式中，MVDc,12和MVDc,13分别为第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的临界云雾体积中值直径；通过在标定实验条件下测得的参数进行拟合，得到拟合参数Se,12、Se,13、Offe,12和Offe,13，分别定义为第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的液滴蒸发比拟合斜率，第二热线单元(12)和第三热线单元（13）的液滴蒸发比拟合截距。
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