结冰风洞及其云雾环境模拟系统浅述

白鹏博

（中国航空规划设计研究总院有限公司 北京 100120）

摘 要：结冰风洞是飞行器结冰和防冰研究的主要地面试验设备。本文结合相关试验标准对结冰风洞的主要试验指标进行了分析阐述，并介绍了结冰风洞所需的配套设备；对结冰风洞中云雾环境模拟系统进行了初步设计；为结冰风洞及其配套设备的设计提供参考。

关键词：结冰风洞、云雾模拟；

引言

飞行器在大气中飞行时，可能会遇到到过冷水滴、冰晶等云雾环境，飞行器在此类云雾环境中可能在表面结冰，并逐渐堆积。飞行器结冰会影响到关键部件如机翼、尾翼前缘、发动机进气道、空速管等设备的正常工作，给飞行器带来严重安全隐患。因此中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准（CCAR-25-R3）以及GJB241-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》等对飞行器及发动机的结冰试验提出了明确要求。

飞行器结冰研究试验手段可以分为飞行试验和地面试验。飞行试验包括自然结冰条件下的飞行试验、人工模拟结冰条件下的飞行试验和带冰模的飞行试验。地面试验主要指在结冰风洞中开展的试验。与其他试验方法相比，结冰风洞试验具有经济、实用、先行、安全的突出优点，除与常规风洞类似对流场的要求外，结冰风洞中还对试验段云雾特性提出特殊的要求。

1 典型结冰风洞

世界范围内结冰风洞大约有20多座，其中最具有代表意义的是意大利航天研究中心（CIRA）结冰风洞。该风洞建成于2002年，共有四个试验段：风洞主试验段截面2.25m×2.35m（宽×高），最大Ma数0.4，最低温度-32℃；第2试验段截面1.15m×2.35m（宽×高），最大Ma数0.7，最低温度-40℃；第3试验段截面3.60m×2.35m（宽×高），最大M数0.25，最低温度-32℃；开口试验段截面2.25m×2.35m（宽×高），最大Ma数小于0.4。风洞模拟高度7000m，平均水滴直径5～300μm。风洞具有发动机进气道模拟系统，流量范围1.5～55kg/s。试验段壁面透光率达到80%，便于结冰试验观察。该风洞的气动轮廓图如下所示：

CIRA的结冰风洞试验速度范围宽，雷诺数范围大，既可以满足结冰试验研究外，又可以进行常规气动试验，使该风洞具有很强的综合试验能力。

2结冰风洞主要参数

结冰风洞主要用于模拟飞行器在大气中飞行时遇到的积冰环境，因此结冰风洞的主要参数包括以下几项：

1.试验段尺寸：试验段尺寸根据被试件确定；大型结冰风洞试验段尺寸在3m量级，可对机翼模型、机身模型等进行结冰试验，如CIRA的结冰风洞、中国空气动力研究与发展中心的结冰风洞等；小型结冰风洞试验段尺寸一般在500mm左右量级，可对飞行器空速管等设备进行结冰试验，如BFGoodrich的结冰风洞；

2.试验段最大风速：结冰风洞多为亚音速风洞，最大风速大部分在200m/s左右，如中国空气动力研究与发展中心的3m风洞最大风速为210m/s、CIRA最大Ma数为0.7；BFGoodrich冰风洞最大风速约为100m/s；

3.试验段气流温度：根据适航标准规定，结冰试验气流最低温度为-30℃，一般结冰风洞可实现-35℃甚至达到-40℃；

4.高度模拟：根据适航标准及大气环境研究，一般结冰环境存在的高度为7000m，因此结冰风洞一般具备模拟7000m海拔高度的能力；

5.云雾参数：根据适航标准给定，飞行器结冰试验的液态水含量范围是0.2～2.8g/m3，液滴平均粒径为15～50μm。

3结冰风洞主要配套设备

根据第二节中介绍的结冰风洞主要参数，可以确定结冰风洞所需的配套设备：

1.风洞洞体：风洞洞体是构成结冰风洞的主体部分，承载了风洞气动设计，是满足风洞气动参数需求的关键因素。考虑到结冰风洞的特殊运行工况，在风洞洞体设计中需采用保温和防腐措施，对洞体采取防/除冰措施；洞体壳体可采用耐低温钢材；在试验段等水雾较多的部位可采用304不锈钢。

2.风机系统：由于气流与洞体壁面的摩擦损失、在扩散段内的流动损失、经过模型时的損失等原因，气体压力和能量会随之降低，为保持试验段气流的流速，就需要部段补充能量。风机系统的作用是为风洞提供运行的动力，驱动气流以稳定的状态在洞体内持续流动，它是风洞的关键部件，直接关系到风洞能否达到设计的试验风速。

3.制冷系统：由于结冰风洞内空气最低温度可达-40℃，因此必须配置制冷系统。制冷机组可采用复叠式制冷机组，满足不同试验温度的需求；制冷系统可采用制冷机组结合载冷剂系统的方式，满足风洞关于温度控制的需求。

4.抽真空系统：抽真空系统的作用主要包含两个方面，一是为模拟高空低压环境，使得试验段环境达到高海拔低压低密度的要求，二是在风洞准备过程的“换气”处理中将风洞内部的空气抽出。真空泵是抽真空系统中的关键设备，可选用螺杆式真空泵或水环真空泵满足结冰风洞对低压环境的需求。

5.冰云模拟系统：冰云模拟系统是冰风洞的关键设备之一，该系统主要通过两相流喷嘴在冰风洞中重现飞行器的结冰云雾环境；冰云模拟系统中包括水、气处理设备，满足结冰风洞中结冰试验对水品质、压缩空气洁净度的需求；

6测控系统：测量控制系统用于风洞运行控制、风洞试验结果测量和风洞性能测定，是风洞试验系统的重要组成部分，其主要任务是将风洞总压、静压、总温及风洞沿程运行压力、模型数据等物理量转化成电压或电流信号，再通过数据采集系统逐个采样量化成数字信号进入计算机进行处理。

4云雾环境模拟系统浅述

根据中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准（CCAR-25-R3）中对云雾参数的规定：飞行器结冰试验的液态水含量范围是0.2～2.8g/m3，液滴平均粒径为15～50μm。调研市场喷雾产品，可选择空气助力雾化喷嘴实现上述液态水含量以及液滴平直直径的要求。

空气助力雾化喷嘴的示意图如下。在喷嘴内部，从液相喷孔中喷出的液体在高速气流的冲击下发生破碎，形成气液掺混的形态，该类型的喷嘴雾化效果非常好，即便是粘度比较高的液体，也可以获得很好的雾化，可以满足结冰风洞中对于云雾系统平均水滴直径的需求。

空气助力雾化喷嘴是满足结冰风洞对于云雾环境模拟系统平均水滴直径的关键设备，与之对应，云雾环境模拟系统需要配置压力、流量、温度可调的供水、供气系统。云雾环境模拟系统的供水、供气原理图示如下：

供水系统主要由水处理设备、稳压罐、换热器、水泵、压力传感器、流量计、温度传感器、电动调节阀等组成。供水系统通过稳压罐、水泵以及电动调节阀、传感器等测量控制供水压力及流量；通过换热器控制供水温度。供气系统主要由空压机、压缩空气罐、换热器、电动调节阀以及压力传感器、温度传感器等组成。供气系统通过稳压罐、电动调节阀、压力传感器等测量控制供气压力；通过换热器控制供气温度。

5结束语

本文对结冰风洞的主要参数进行了浅述，并讨论了满足各项指标所需的配套设备；针对结冰风洞中的云雾环境模拟系统，探讨了一种供水、供气系统设计方案，可供结冰风洞的设计进行参考。

参考文献：

[1] 胡站伟；结冰风洞云雾参数变化规律初探[D]；中国空气动力研究与发展中心硕士论文，2009年

[2] 中国民用航空总局；中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准（CCAR-25-R3）[S]；中国民用航空总局，2001年

[3] 中国人民解放军总装备部；GJB241-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》[S]；中国人民解放军总装备部，2010年；

[4] 战培国；国外结冰试验研究平台综述[J]；飞航导弹，2016年

[5] 刘政崇，彭强等；3m×2m结冰风洞设计总体初步方案[C]；中国航空学会2007年学术年会；

[6] 战培国；结冰风洞研究综述[J]；实验流体力学，2007年9月3期