CN115127769A - 一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备 - Google Patents

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CN115127769A CN202210591826.4A CN202210591826A CN115127769A CN 115127769 A CN115127769 A CN 115127769A CN 202210591826 A CN202210591826 A CN 202210591826A CN 115127769 A CN115127769 A CN 115127769A
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蒋增
秦加成
杨帅
张付昆
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Abstract

本发明公开一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，包括云雾生成系统、冰晶生成系统和冰晶输送系统，所述的云雾生成系统包括气源、水源和云雾喷嘴阵列，所述的冰晶生成系统位于低温环境室内部，所述的冰晶生成系统包括研磨机和振动筛，冰晶输送系统包括引射器、高压气源和输送管道，研磨机将冰块粉碎，由振动筛进行分级筛分并收集，达到要求的冰晶送至引射器的漏斗内，所述的引射器的进风口与高压气源连接，引射器的喷嘴通过输送管道与结冰风洞的稳定段内连接，在高速气流的作用下，将冰晶流化后输运并喷入到结冰风洞的稳定段内。本发明产生的冰晶粒子尺寸、混合相冰水混合物的比例可控，具有冰晶制备产量高和成本低的优点。

Description

一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备
技术领域
本发明属于结冰风洞试验技术领域，具体涉及一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备。
背景技术
冰晶主要由大气中的强对流云层，将低空气体运送至高层大气中，当水汽抬高到0℃等温线以上时，随着温度的下降，水蒸气被持续压缩时而形成。高空冰晶以固体形式存在，所以它不会附着在机身表面从而破坏升力，但是，当它进入发动机核心时，会先融化成水膜附在低压压气机部分静子部件上，并导致更多的冰晶附着在这些部件上，当冰晶积累到一定量时脱落，造成下游高压压气机部件损伤，影响发动机正常工作。所有喷气发动机都可能受此自然现象的影响，只不过每种机型具体的表现不同，某些机型可能更容易出现故障。
高空冰晶还会影加热探针等仪器仪表，导致仪表堵塞、测量数据失真等错误，给飞行员和自动驾驶仪等造成错误的驾驶操作，严重影响飞行安全。
在大气中，冰晶具有很多的形态和尺寸，冰晶通过与周围水蒸气的结合而增长尺寸。冰晶主要的结构是盘状、柱状或者是混合状，外形一般与环境温度有关。冰晶的次要结构由于冰枝的存在而变得高度复杂，次要结构一般是由附近水蒸气的饱和度所决定的。根据欧洲HIWC(高空冰晶结冰影响联合研究项目)在Darwin和Cayenne的飞行测试结果，冰晶的中值直径(Medium Mass Diameter,MMD)在200到1000微米之间，总水含量(Total WaterContent,TWC)在0.5～3.5g/m3，也有分析认为TWC理论值最高可能达到9g/m3。
根据欧美适航条例的规定，风洞试验中对冰晶粒径和总水含量寸进行了明确规定，其中值直径(MMD)的范围为50μm～200μm、总水含量(TWC)在0.5～5.3g/m3。因此需要风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，用于冰晶对航空飞行器中飞机发动机和加热探针等性能影响的试验研究。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，能够满足航空适航条例规定的冰晶及其混合相试验中对粒径和总水含量的试验条件需求。
本发明所采用的技术方案如下：一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，包括云雾生成系统、冰晶生成系统和冰晶输送系统，所述的云雾生成系统包括气源、水源和云雾喷嘴阵列，所述的云雾喷嘴阵列位于结冰风洞的稳定段内，所述的气源和水源相连接后再与云雾喷嘴阵列连接，云雾喷嘴阵列将液态水雾化形成云雾水滴条件，所述的冰晶生成系统位于低温环境室内部，所述的冰晶生成系统包括研磨机和振动筛，所述的冰晶输送系统包括引射器、高压气源和输送管道，所述的研磨机将冰块粉碎，由振动筛进行分级筛分并收集，达到要求的冰晶送至引射器的漏斗内，所述的引射器的进风口与高压气源连接，引射器的喷嘴通过输送管道与结冰风洞的稳定段内连接，高压气源在引射器内膨胀加速并降温，防止冰晶因温度高而融化相变，在高速气流的作用下，将冰晶流化后输运并喷入到结冰风洞的稳定段内。
进一步的，所述的研磨机的粉碎腔体温度控制在-40℃以下。
进一步的，所述的低温环境室内部温度控制在-20℃以下。
进一步的，所述的输送管道经过保温处理。
进一步的，通过分别调整输入冰晶或水源的过冷水的含量，用于对冰晶、混合相中冰水混合物的比例和总水含量进行控制，实现满足适航条例要求的冰晶和混合相结冰研究的风洞试验模拟。
本发明的优点在于：冰晶制备产量高和成本低；对喷入结冰风洞中的冰晶与云雾场单独控制，能够单独进行冰晶试验模拟和混合相的实验模拟，通过调整冰晶和过冷水的输入量，实现冰晶总水含量和混合相试验参数的快速调整和控制。
附图说明
图1是本发明实施例1的原理示意图。
具体实施方式
结合附图1，给出以下实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，包括云雾生成系统、冰晶生成系统和冰晶输送系统，所述的云雾生成系统1包括气源10、水源11和云雾喷嘴阵列12，所述的云雾喷嘴阵列位于结冰风洞5的稳定段内，所述的气源10和水源11相连接后再与云雾喷嘴阵列12连接，云雾喷嘴阵列12将液态水雾化形成云雾水滴条件，所述的冰晶生成系统位于低温环境室4内部，所述的冰晶生成系统包括研磨机2和振动筛3，所述的冰晶输送系统包括引射器7、高压气源8和输送管道6，所述的研磨机2以液氮为冷源冰块通过冷却在低温下实现脆化易粉碎状态后，进入研磨机2腔体内通过叶轮高速旋转，使冰块之间反复冲击、碰撞、剪切、摩擦等综合作用下，实现粉碎效果，生成的冰晶由振动筛3进行筛分分级并收集，没有达到细度要求的物料返回研磨机2料仓继续粉碎，达到细度要求的冰晶送至引射器7的漏斗内，所述的引射器7的进风口与高压气源8连接，引射器7的喷嘴通过输送管道6与结冰风洞5的稳定段内连接，高压气源9在引射器7内膨胀加速并降温作为冰晶输运的动力源，同时防止冰晶因温度高而融化相变，在高速气流的作用下，将冰晶流化后输运并喷入到结冰风洞5的稳定段内。
云雾生成系统1中液态水雾化的平均粒径的控制主要通过气压和水压的比值来控制(试验前事先进行标定)，但每套喷嘴的所能达到的平均粒径是有一定范围的，因此需要根据试验要求的平均粒径选择使用何种尺寸规格的喷嘴，再通过离心泵、电动调节阀和流量计调节水量和水压，通过加压阀和节流阀调节气压，从而控制气压和水压的比值，进而使喷嘴的平均粒径满足试验的要求。液态水含量的控制主要通过控制水压和气压的绝对值来控制，也可以根据不同流量开启不同的喷嘴，其也是决定冰晶和混合相条件下冰水混合物比例和总水含量的主要参数。
本实施例通过分别调整输入冰晶或水源的过冷水的含量，以对冰晶、混合相中冰水混合物的比例和总水含量进行控制，实现满足适航条例要求的冰晶和混合相结冰研究的风洞试验模拟。结冰风洞5要求能够模拟不同高度环境条件下气流的速度、温度、压力和湿度等参数，是实现试验的主要功能载体。研磨机2需要保持粉碎腔体内温度控制在-40℃以下，低温环境室4是布置冰晶生成系统和输送系统设备的主要空间，低温环境室4由保温箱体或密闭房间、冷源和温度控制系统等组成，需要能够一直保持室内为低温的整体环境，是维持冰晶保持固态不发生相变融化的主要环境室，需要严格监控其环境温度，建议温度控制在-20℃以下，输送管道需要做保温处理，防止管道堵塞。冰晶和过冷水喷入量可单独控制，通过调整冰晶和过冷水的输入量，实现冰晶总水含量和混合相试验参数的快速调整和控制。
本实施例中产生的冰晶粒子尺寸、混合相冰水混合物的比例可控，产量大，特别适于需要持续进行冰晶结冰试验的需求，且能够单独进行冰晶试验模拟和混合相的实验模拟。

Claims (5)

1.一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，包括云雾生成系统、冰晶生成系统和冰晶输送系统，其特征在于：所述的云雾生成系统包括气源、水源和云雾喷嘴阵列，所述的云雾喷嘴阵列位于结冰风洞的稳定段内，所述的气源和水源相连接后再与云雾喷嘴阵列连接，云雾喷嘴阵列将液态水雾化形成云雾水滴条件，所述的冰晶生成系统位于低温环境室内部，所述的冰晶生成系统包括研磨机和振动筛，所述的冰晶输送系统包括引射器、高压气源和输送管道，所述的研磨机将冰块粉碎，由振动筛进行分级筛分并收集，达到要求的冰晶送至引射器的漏斗内，所述的引射器的进风口与高压气源连接，引射器的喷嘴通过输送管道与结冰风洞的稳定段内连接，高压气源在引射器内膨胀加速并降温，在高速气流的作用下，将冰晶流化后输运并喷入到结冰风洞的稳定段内。
2.根据权利要求1所述的一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，其特征在于：所述的研磨机的粉碎腔体温度控制在-40℃以下。
3.根据权利要求1或2所述的一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，其特征在于：所述的低温环境室内部温度控制在-20℃以下。
4.根据权利要求3所述的一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，其特征在于：所述的输送管道经过保温处理。
5.根据权利要求4所述的一种风洞试验模拟用高空冰晶及混合相结冰产生设备，其特征在于：通过分别调整输入冰晶或水源的过冷水的含量，用于对冰晶、混合相中冰水混合物的比例和总水含量进行控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117928959A (zh) * 2024-03-25 2024-04-26 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种航空发动机结冰试验台引射器式动力模拟系统

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