杜 騫, 趙偉偉, 劉 宇, 蔡玉飛, 朱春玲

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

0 引 言

飛機(jī)結(jié)冰一直是航空安全的主要威脅之一，因結(jié)冰造成的飛行事故在國(guó)內(nèi)外屢見(jiàn)不鮮。為了消除飛機(jī)結(jié)冰對(duì)飛行安全造成的危害，保證飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下安全飛行，同時(shí)保障飛機(jī)通過(guò)結(jié)冰適航審定，冰風(fēng)洞成為研究人員在地面模擬飛行結(jié)冰環(huán)境、研究飛機(jī)結(jié)冰機(jī)理及修正計(jì)算模型必不可少的地面試驗(yàn)設(shè)備。與常規(guī)風(fēng)洞相比，冰風(fēng)洞除提供穩(wěn)定的流場(chǎng)外，還必須能模擬高空低溫環(huán)境下的云霧參數(shù)[1-3]。

在長(zhǎng)期研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，歐美國(guó)家已經(jīng)建立了較為完整的冰風(fēng)洞使用規(guī)范(包括試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量、標(biāo)定等)[4-5]。1997-2004年，美國(guó)動(dòng)力機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(SAE)飛機(jī)結(jié)冰委員會(huì)對(duì)使用不同水滴參數(shù)測(cè)量設(shè)備的冰風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。他們采用同樣的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提出相同的試?yàn)條件，然而六座冰風(fēng)洞的試驗(yàn)結(jié)果(所得冰形)卻存在較大差異。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)造成差異的根本原因在于各冰風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)實(shí)際的水滴參數(shù)與所要求的水滴參數(shù)之間有所不同。而水滴參數(shù)中最難測(cè)的參數(shù)之一就是平均容積直徑(MVD)。后續(xù)研究表明：一些冰風(fēng)洞水滴參數(shù)的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值誤差高達(dá)30%[6]。因此，如何準(zhǔn)確測(cè)量MVD是冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，必須尋找一種精確可靠的MVD測(cè)量方法及標(biāo)定技術(shù)。

根據(jù)測(cè)量原理，常見(jiàn)的液滴直徑測(cè)量方法主要有：機(jī)械記錄法、熱學(xué)分析法和光學(xué)測(cè)量方法等[4-6]。其中機(jī)械記錄法是通過(guò)圖像分析由不同形式的膜片在一定時(shí)間內(nèi)收集到的液滴撞擊痕跡，通過(guò)帶標(biāo)尺的電子顯微鏡來(lái)觀察和統(tǒng)計(jì)液滴直徑分布，如油膜片法(the oil slide technique)和煙灰采樣片技術(shù)(soot-coated slide technique)。該方法成本低且能得到相對(duì)精確結(jié)果，但采樣與統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程較為繁復(fù)，暴露時(shí)間長(zhǎng)短需多次調(diào)整以避免水滴印痕相互堆疊。熱學(xué)分析法是根據(jù)熱線和多相流之間的熱平衡關(guān)系，及不同直徑液滴在不同直徑和不同角度熱線上的撞擊和蒸發(fā)特性，采集和記錄各熱線的電信號(hào)變化過(guò)程，對(duì)比分析得到液滴直徑的信息，但是該方法無(wú)法將液滴與冰晶粒子的影響區(qū)分開(kāi)。光學(xué)測(cè)量手段是通過(guò)Charge Coupled Device(CCD)來(lái)記錄不同直徑的液滴對(duì)于激光的散射、干涉條紋的波動(dòng)等影響來(lái)計(jì)算液滴直徑。主要有：前向散射分光測(cè)量?jī)x(FSSP)、光學(xué)粒徑測(cè)量?jī)x(OAP)、Malvern粒子直徑測(cè)量?jī)x、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)、全息記錄方法Gerber探針(PVM 100A)、激光粒度儀等。

MVD和liquid water content(LWC)模擬的準(zhǔn)確度是影響飛行器結(jié)冰特性的重要參數(shù)。在NASA IRT的儀器標(biāo)定對(duì)比試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)多圓柱(Rotating Multi-Cylinder, 簡(jiǎn)稱RMC)測(cè)量法能較好地測(cè)量標(biāo)定LWC和MVD。由此可見(jiàn)，旋轉(zhuǎn)多圓柱法是冰風(fēng)洞基準(zhǔn)校驗(yàn)標(biāo)定的重要方法之一。國(guó)外利用RMC技術(shù)開(kāi)展了大量冰風(fēng)洞標(biāo)定及校準(zhǔn)方面的研究工作[7-12]。國(guó)內(nèi)在如何測(cè)量與標(biāo)定MVD方面起步較晚。李宇欽等基于旋轉(zhuǎn)多圓柱測(cè)量?jī)x的冰風(fēng)洞參數(shù)分析方法，對(duì)二維圓柱的水滴撞擊特性及二維旋轉(zhuǎn)圓柱霜狀冰結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，與國(guó)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比，對(duì)比結(jié)果吻合較好[13]；陳晶霞進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)三段圓柱結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，對(duì)旋轉(zhuǎn)多圓柱冰風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了初步研究，由于冰風(fēng)洞試驗(yàn)存在軸向傳熱、試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量等因素，導(dǎo)致試驗(yàn)誤差較大[14]；孟繁鑫等人嘗試在引射式結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)用煙灰采樣方法來(lái)分析計(jì)算MVD，因采樣片印跡重合致使所測(cè)MVD值偏大[15,16]；符澄、易賢等人搭建單噴嘴試驗(yàn)臺(tái)采用PDI基于前向散射原理進(jìn)行了MVD測(cè)量，但未進(jìn)行冰風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)的測(cè)量[16-19]。

與前人工作的不同之處在于，本文在南航結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)采用激光粒度儀測(cè)量MVD，同時(shí)選用旋轉(zhuǎn)多圓柱法進(jìn)行MVD測(cè)量標(biāo)定，并將激光粒度儀試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)多圓柱標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。采用激光粒度儀試驗(yàn)測(cè)量與RMC數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究冰風(fēng)洞液滴顆粒直徑。RMC標(biāo)定值可有效彌補(bǔ)直接測(cè)量的不足，為結(jié)冰風(fēng)洞的后續(xù)設(shè)計(jì)與調(diào)試提供技術(shù)支持。

1 激光粒度儀測(cè)量原理

激光粒度儀采用信息光學(xué)原理，通過(guò)測(cè)量顆粒群的散射譜來(lái)分析其粒度分布。激光粒度儀工作原理圖如圖1所示。該儀器由主機(jī)和計(jì)算機(jī)兩部分組成：主機(jī)內(nèi)含光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理并直接顯示、打印測(cè)試結(jié)果。主機(jī)與計(jì)算機(jī)由標(biāo)準(zhǔn)通訊口連接。由激光器(一般為He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器)發(fā)出的光束。經(jīng)空間濾波器和擴(kuò)束透鏡后，得到了一個(gè)平行單色光束，該光束照射到測(cè)試區(qū)，測(cè)試區(qū)中的待測(cè)顆粒群在激光照射下產(chǎn)生散射譜。研究表明，散射譜的強(qiáng)度及其空間分布與被測(cè)顆粒群的大小及分布有關(guān)。散射光的角度和顆粒直徑成反比，散射光強(qiáng)隨角度的增加呈對(duì)數(shù)衰減。這些散射光經(jīng)傅立葉透鏡后再次匯聚后被位于透鏡焦面上的光電陣列探測(cè)器所接收，成像在排列有多環(huán)光電探測(cè)器的焦平面上。多環(huán)探測(cè)器上的中央探測(cè)器用來(lái)測(cè)定樣品的體積濃度，外圍探測(cè)器用來(lái)接收散射光的能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而散射光的能量分布與顆粒粒度分布直接相關(guān)。轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換經(jīng)通訊口送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行反演運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理后，即可給出被測(cè)顆粒群的大小、分布等參數(shù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)屏幕顯示或打印機(jī)打印輸出[20]。

2 旋轉(zhuǎn)多圓柱法工作原理

旋轉(zhuǎn)多圓柱技術(shù)是上世紀(jì)40年代芬蘭Mount Washington氣象臺(tái)提出的一種用于測(cè)量大氣中云參數(shù)的方法。旋轉(zhuǎn)多圓柱測(cè)量?jī)x成本低，而且測(cè)量精度可靠。它能夠同時(shí)測(cè)量LWC和MVD，是冰風(fēng)洞基準(zhǔn)校驗(yàn)標(biāo)定的重要方法之一[21]。其基本原理是根據(jù)不同直徑圓柱段的水滴收集系數(shù)不同，同樣結(jié)冰條件下在相同時(shí)間段內(nèi)結(jié)冰厚度也不相同。在結(jié)構(gòu)上通常由多個(gè)圓柱段裝配而成，每個(gè)圓柱段直徑不同，在進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，將各圓柱段安裝在一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，嚴(yán)格保證各圓柱的軸線垂直于來(lái)流方向，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)圓柱以一定的速度(60 r/min)繞軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓柱表面收集的過(guò)冷水滴會(huì)均勻的在其表面結(jié)冰。由于圓柱體保持勻速旋轉(zhuǎn)，因此結(jié)冰后的圓柱仍保持為圓柱形，將便于測(cè)量各圓柱結(jié)冰后的尺寸。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別取下各圓柱段上的積冰樣本進(jìn)行稱重。結(jié)冰量與LWC和MVD之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。因此，該方法需要測(cè)量RMC結(jié)冰前后的圓柱直徑、結(jié)冰質(zhì)量、結(jié)冰環(huán)境、結(jié)冰時(shí)間等參數(shù)，根據(jù)積冰量計(jì)算的原理反向推算出水滴參數(shù)。

對(duì)于暴露在相同結(jié)冰條件下的兩個(gè)不同直徑的圓柱，當(dāng)其他結(jié)冰條件均為已知時(shí)，根據(jù)氣流中的液態(tài)水含量、液滴直徑兩個(gè)條件，就可以分別計(jì)算出兩個(gè)圓柱(i=1,2)上的結(jié)冰量大小，即有:

mi=f(V0,t0,P0,t,Di,Li,LWC,MVD) (1)

式中，mi為圓柱結(jié)冰質(zhì)量，V0為來(lái)流速度，t0為環(huán)境溫度，P0為環(huán)境壓力，t為結(jié)冰時(shí)間，Di為結(jié)冰直徑，Li為結(jié)冰長(zhǎng)度。

因此，當(dāng)水滴參數(shù)LWC和MVD未知時(shí)，如果測(cè)出兩個(gè)圓柱的結(jié)冰質(zhì)量m1、m2，就類似于兩個(gè)方程和兩個(gè)未知數(shù)的情況，可推算出測(cè)量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的液態(tài)水含量、液滴直徑兩個(gè)未知參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到試驗(yàn)測(cè)量通常存在誤差，為避免測(cè)量誤差所帶來(lái)的干擾，得到可靠精度的結(jié)果，一般采用多個(gè)圓柱(3-5個(gè))進(jìn)行結(jié)冰量測(cè)量，然后對(duì)LWC和MVD進(jìn)行最佳逼近求解。

由N段圓柱組成的RMC測(cè)量?jī)x，可知其結(jié)冰量和各結(jié)冰條件參數(shù)有非線性關(guān)系m=f(V0,t0,P0,t,D,L,LWC,MVD)，各圓柱工作段的結(jié)冰量與結(jié)冰試驗(yàn)條件的函數(shù)關(guān)系如下：

式中各圓柱工作段結(jié)冰量及結(jié)冰條件V0，t0，P0，t等均可在冰風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)得，方程組中僅有兩個(gè)未知參數(shù)LWC、MVD，為超靜定方程組。

在早期應(yīng)用中，需要通過(guò)作圖法推算實(shí)驗(yàn)時(shí)的MVD和LWC，數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)，使用很不方便。九十年代初，Lasse Makkonen將線性回歸方法引入RMC數(shù)據(jù)處理過(guò)程，結(jié)合旋轉(zhuǎn)圓柱動(dòng)態(tài)結(jié)冰計(jì)算，采用基于線性回歸的試探法，使水滴參數(shù)分析可用編程的方法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，使水滴參數(shù)分析的精確度得到了很大的提高，數(shù)據(jù)分析時(shí)間大大縮短，增強(qiáng)了RMC的實(shí)用性[22]。

由于旋轉(zhuǎn)圓柱的轉(zhuǎn)軸垂直于來(lái)流方向放置，可認(rèn)為各個(gè)圓柱工作段的結(jié)冰量沿軸向是均勻分布的，故可將旋轉(zhuǎn)圓柱工作段的結(jié)冰過(guò)程作為二維問(wèn)題處理。RMC工作時(shí)要求處于干結(jié)冰狀態(tài)，即保證各圓柱表面結(jié)霜狀冰(試驗(yàn)段溫度<-15 ℃)。因此在圓柱水滴撞擊計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)二維旋轉(zhuǎn)圓柱霜狀冰結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行編程計(jì)算[23-24]。基于激光粒度儀的便捷測(cè)量與旋轉(zhuǎn)多圓柱方法測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，本文采用兩種方法獨(dú)立測(cè)量研究并進(jìn)行對(duì)比分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 激光粒度儀測(cè)量結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中所采用的激光粒度儀型號(hào)為Winner 318A, 如圖2所示，量程為0.1～323 μm，準(zhǔn)確性誤差<3%，重復(fù)性誤差<3%。分布模式可選擇：自由分布、R-R分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布等。Winner 318A通過(guò)測(cè)量顆粒群的散射譜經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來(lái)分析其顆粒粒度分布，可對(duì)液滴進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試范圍廣，操作簡(jiǎn)便，測(cè)試速度快。

圖2 MVD測(cè)量時(shí)所用的 Winner 318A 激光粒度儀Fig.2 Winner 318A used in the experiment

為了更簡(jiǎn)單地描述顆粒的粒度分布，常選取累積分布曲線上的3個(gè)點(diǎn)描述顆粒群的分布特征，如DV0.1,DV0.5,DV0.9。DV0.1所指的直徑表示小于等于該直徑的液滴占噴霧總體積比重的10%，DV0.1適用于評(píng)估液滴的跟隨特性；DV0.9所指的直徑表示小于等于該直徑的液滴占噴霧總體積比重的90%，DV0.9在研究噴霧的完全蒸發(fā)速度時(shí)極為有用。其中DV0.5又常被稱為平均容積直徑(MVD)用途最廣。

為了驗(yàn)證激光粒度儀測(cè)量的準(zhǔn)確性，本文采用Winner 318A測(cè)量了國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)顆粒物質(zhì)(D50= 25 μm)，國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)顆粒物質(zhì)來(lái)自于國(guó)家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制單位—北京海岸鴻蒙標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)有限責(zé)任公司，所用標(biāo)準(zhǔn)顆粒物質(zhì)國(guó)家編號(hào)GBW(E)120027，測(cè)試環(huán)境為儀器驗(yàn)收當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度下。在相同情況下一次取樣連續(xù)測(cè)十次，測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算出儀器的測(cè)量誤差為0.684%，重復(fù)性誤差為0.215%。

表1 采用25 μm國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)顆粒連續(xù)測(cè)試十次所測(cè)的MVD值Table 1 Tested MVD values for ten times in continuous test by using 25 μm national standard particles

上述兩項(xiàng)參數(shù)均<3%,則知該激光粒度儀所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確 重復(fù)性好。

圖3為液滴顆粒試驗(yàn)過(guò)程中某狀態(tài)下粒徑與體積占比的關(guān)系圖。圖4為噴霧架上噴嘴排列示意圖及通過(guò)啟閉噴霧架上的噴嘴的數(shù)量以改變噴水及噴氣壓力時(shí)激光粒度儀所測(cè)液滴的MVD曲線圖。

圖3 試驗(yàn)所測(cè)某種狀態(tài)時(shí)噴霧粒徑與體積占比關(guān)系圖Fig.3 The particle size and volume ratio diagram in an experiment

圖3所示激光粒度儀所測(cè)某狀態(tài)下冰風(fēng)洞試驗(yàn)段水滴粒徑保持近似正態(tài)分布，直徑與MVD值接近的水滴有較高的體積占比；圖4中每個(gè)黑點(diǎn)代表噴霧架上的一個(gè)噴嘴，為盡可能確保試驗(yàn)段的霧滴均勻性，噴嘴關(guān)一列時(shí)關(guān)第3列；關(guān)兩列時(shí)關(guān)第1、5列；關(guān)三列時(shí)關(guān)第1、3、5列。圖4所示噴霧架上不同列數(shù)噴嘴關(guān)閉時(shí)所測(cè)MVD值的變化情況，即在不同的水壓與氣壓狀況下，所測(cè)MVD值亦隨之而變化。

圖4 噴霧架上噴嘴排列示意圖及噴嘴關(guān)閉時(shí)所測(cè)MVD曲線Fig.4 The nozzle arrangement and the MVD curves in the experiment with changed nozzles

3.2 旋轉(zhuǎn)多圓柱法測(cè)量結(jié)果

于2017年3—4月在南京航空航天大學(xué)冰風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)多圓柱結(jié)冰試驗(yàn)(圖5～圖7)，結(jié)冰狀態(tài)見(jiàn)表2。南京航空航天大學(xué)結(jié)冰風(fēng)洞(IWT)建成于2013年，為一立式單回流閉口亞聲速結(jié)冰風(fēng)洞。該結(jié)冰風(fēng)洞主要技術(shù)指標(biāo)如下：試驗(yàn)段截面形狀為矩形(長(zhǎng)×寬×高)500 mm×300 mm×400 mm，試驗(yàn)段最大風(fēng)速可達(dá)100 m/s,試驗(yàn)段氣流靜溫達(dá)-45 ℃。噴霧架上有5列(每列7個(gè)噴嘴)噴嘴，噴霧的液滴MVD范圍為10～300 μm，最高液態(tài)水含量可達(dá)3 g/m3。

對(duì)二維旋轉(zhuǎn)圓柱霜狀冰結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，編制了RMC水滴參數(shù)分析軟件。輸入RMC水滴參數(shù)分析軟件確定MVD的誤差主要包括結(jié)冰樣本重量、長(zhǎng)度、平均直徑、溫度、結(jié)冰時(shí)間的測(cè)量誤差等。為了減小結(jié)冰量稱重造成的誤差，特選用精度為0.001 g的電子秤；選用游標(biāo)卡尺在不破壞圓柱結(jié)冰的情況下測(cè)量結(jié)冰長(zhǎng)度及結(jié)冰后的圓柱直徑；采用高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來(lái)測(cè)量試驗(yàn)段溫度。

圖5 旋轉(zhuǎn)多圓柱結(jié)冰試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 The test bench of RMC

圖6 結(jié)冰圓柱示意圖Fig.6 The diagram of icing multi-cylinder

結(jié)冰圓柱直徑測(cè)量 結(jié)冰質(zhì)量稱量

表2 旋轉(zhuǎn)多圓柱結(jié)冰狀態(tài)Table 2 The icing status of multi-cylinders

試驗(yàn)條件：結(jié)冰時(shí)間：460 s, 風(fēng)速21.8 m/s ，氣壓101200 Pa，冰風(fēng)洞試驗(yàn)段溫度-19.5 ℃，噴霧架噴水壓力：96 kPa，噴氣壓力101 kPa，霜冰密度為880 kg/m3。利用RMC水滴參數(shù)分析軟件進(jìn)行計(jì)算，分析界面如圖8。

從圖8水滴參數(shù)軟件計(jì)算可知，結(jié)冰量擬合斜率為1，線性相關(guān)系數(shù)越接近于1，表明由水滴參數(shù)的估計(jì)值所計(jì)算出的圓柱各段的結(jié)冰量與試驗(yàn)測(cè)量值吻合度良好，即MVD標(biāo)定值接近于真實(shí)值；而在同樣的試驗(yàn)條件下采用Winer318A實(shí)際所測(cè)MVD值(DV0.5)為44.26 μm。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了在誤差允許范圍內(nèi)實(shí)測(cè)值與標(biāo)定值的吻合性。

為了形成試驗(yàn)對(duì)比，調(diào)整噴霧架上噴嘴的開(kāi)啟數(shù)量，分別在如下三種試驗(yàn)條件下進(jìn)行了三組試驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)與標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同水壓與氣壓下RMC標(biāo)定值與試驗(yàn)測(cè)量值Table 3 RMC calibration vs measurement at different water and air pressure

隨著水/氣壓力比值變化，MVD值變化如圖9所示，在水/氣壓力比值0.65～0.92變化范圍內(nèi)，結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)的MVD值變化范圍在17.86～60.42 μm之間，隨著水/氣壓力比值增大，MVD值幾乎呈線性增大，涵蓋了小水滴和臨界大水滴尺度范圍內(nèi)的大部分尺寸范圍。

圖9 MVD隨水/氣壓力比值的變化Fig.9 MVD along with the change ofwater/ air pressure ratio

如上幾組試驗(yàn)可知，RMC標(biāo)定值與試驗(yàn)測(cè)量值基本吻合，并且隨著MVD值增大，誤差呈“兩頭小中間大”的趨勢(shì)，如圖10所示，但誤差均在誤差允許范圍內(nèi)，所以旋轉(zhuǎn)多圓柱法測(cè)量MVD值可適用于小型冰風(fēng)洞水滴參數(shù)標(biāo)定。

圖10 誤差分析Fig.10 Error analysis

4 結(jié) 論

采用試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)MVD值測(cè)量與標(biāo)定進(jìn)行了研究。通過(guò)激光粒度儀測(cè)量冰風(fēng)洞液滴顆粒直徑試驗(yàn)，得到了不同氣壓與水壓狀態(tài)下的MVD值，同時(shí)開(kāi)展旋轉(zhuǎn)多圓柱結(jié)冰試驗(yàn)，對(duì)二維旋轉(zhuǎn)圓柱霜狀冰結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，利用所編制的RMC水滴參數(shù)軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)多圓柱結(jié)冰進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果表明：

基于南航小型冰風(fēng)洞，在滿足水滴尺度范圍內(nèi)，這兩種方法在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的誤差均在允許范圍內(nèi)，與所標(biāo)定結(jié)果吻合較好，但同時(shí)兩種方法又有各自優(yōu)缺點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)多圓柱法存在著較大的人為操作誤差，考慮到整個(gè)操作測(cè)試過(guò)程，包括結(jié)冰圓柱尺寸測(cè)量，結(jié)冰質(zhì)量稱量等，均要考慮環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，但這種方法操作簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，普遍適用于結(jié)冰風(fēng)洞、風(fēng)力機(jī)風(fēng)場(chǎng)和艦艇等結(jié)冰環(huán)境下的水滴參數(shù)測(cè)量；激光粒度儀測(cè)量誤差較小，但設(shè)備需要固定的測(cè)試場(chǎng)地，適用于結(jié)冰風(fēng)洞等能提供較好測(cè)試場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。兩種實(shí)驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi)，標(biāo)定結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)多圓柱法可用于彌補(bǔ)后續(xù)冰風(fēng)洞水滴參數(shù)直接試驗(yàn)測(cè)量方面的不足并可為MVD值標(biāo)定提供必要的技術(shù)支持。

致謝:感謝國(guó)家基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目基金(2015CB755800)、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB046200)、江蘇省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(BK20140059)和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)的資助！