中國航空工業(yè)第一飛機設計研究院,陜西 西安710089

飛機的風擋位于飛行員的正前方，能夠為飛行員提供足夠的視野來觀察機外情況。飛機在雨中飛行時，風擋玻璃的外表面會遭遇雨水的沖擊，導致風擋玻璃外的事物能見度下降，這嚴重威脅到飛行安全。適航條款CCAR-25 第773(b)(1)條要求在降水情況下，應使飛機的風擋玻璃具有一個清晰的范圍[1]。HB7496-1997 第4.7 條對關鍵視野區(qū)的定義：“清除的最小范圍為設計眼位的左、右各15°，向上到預期使用中以最陡航跡進場時看到跑道，向下到第4.3 條規(guī)定的視野限制的最低值”[2]。隨著未來戰(zhàn)爭對飛機高隱身性的要求，傳統(tǒng)的除雨方式已經(jīng)不滿足要求，研究新的除雨技術已經(jīng)迫在眉睫。國外近年來在除雨技術上主要是基于新材料、新工藝、新方法的研究，美國在B2 飛機上采用了空氣吹拂除雨系統(tǒng)。目前國內(nèi)對傳統(tǒng)的除雨方式研究比較多，對空氣吹拂式除雨技術的相關研究較少。由于國外對新技術的封鎖，目前我們能掌握的資料很少，亟需我們自己去探索空氣吹拂式除雨技術。本文初步探究了雨滴直徑、噴氣速度以及入射角度對除雨效果的影響。

1 計算方法

雨滴在空氣中的運動是一個氣—液兩相流問題?？諝庵杏甑蔚捏w積分數(shù)小于10%，滿足DPM 模型的使用條件，在拉格朗日坐標系下對雨滴進行跟蹤，確定每個雨滴在不同時刻及位置的物理量，通過積分拉式坐標系下的雨滴作用力微分方程來求解雨滴的軌跡。雨滴的作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式（x方向）為：

其中，F(xiàn)D(u-up)為雨滴的單位質(zhì)量曳力，u為空氣速度，up為雨滴速度，μ為空氣動力粘度，ρ為空氣密度，ρp為雨滴密度，dp為雨滴直徑，Re為雨滴雷諾數(shù)，其定義為：，CD為曳力系數(shù)，其與雨滴的相對變形量和雷諾數(shù)有關，在計算小直徑雨滴時本文忽略雨滴變形，即y=0。

本文先計算外流場，再打開離散相模型，在流場中引入雨滴。由于雨滴受到作用力中空氣曳力是最大的，因此在計算過程中需要激活動態(tài)曳力模型。本文忽略雨滴受力時的瞬態(tài)變化，認為整個運動過程是準定常的，雨滴物性參數(shù)恒定且各雨滴之間無相互作用。在研究雨滴直徑、噴氣的入射角度和速度對除雨效果影響時認為雨滴運動過程中不發(fā)生變形、破碎。在仿真計算中設定，當雨滴與壁面發(fā)生碰撞時，雨滴的軌道計算終止。

當進入流場的雨滴直徑較大時，在高速噴射氣體的作用下會使雨滴顆粒發(fā)生破碎，變成更小的顆粒。TAB 模型是描述液滴破碎的經(jīng)典模型，本文計算雨滴破碎采用的是TAB 模型，其控制方程為：

其中CF、Ck、Cd為常數(shù)，CF=8，Ck=5，Cd=1/3，y為雨滴的相對變形量，r為雨滴半徑，ρf為空氣密度，ρl為雨滴密度，μl為水的粘性系數(shù)，σ為表面張力。

2 結果分析

2.1 各因素對除雨的影響

圖1 為雨滴直徑、噴射氣體的速度和入射角度對除雨效果的影響。圖1(a)計算的工況是空氣來流速度為100 m/s，噴射氣體的速度為340 m/s。圖1(b)計算的工況是空氣來流速度為100 m/s，噴射氣體角度為75°。當噴射氣體的入射角度和速度不變時，隨著雨滴直徑的增加，落到風擋上的雨滴數(shù)量越來越多，雨滴直徑小于0.3 mm 時的雨滴數(shù)量的增加量遠遠大于雨滴直徑大于0.3 mm 時的增加量。當雨滴的直徑不變且小于0.3 mm 時，噴射氣體的入射角度和速度越大，落到風擋上的雨滴數(shù)量越小，而且雨滴數(shù)量的減小量較大；當雨滴直徑大于0.3 mm 時，改變噴射氣體的入射角度和速度對落在風擋上的雨滴數(shù)量影響很小。當雨滴直徑小于0.3 mm 時，噴射氣體入射角由30°變成45°造成的雨滴數(shù)量減小量遠小于由75°變成90°時的減小量，所以落在風擋上的雨滴數(shù)量與噴射氣體的入射角度是正相關，但不是線性關系。

圖1 各因素對除雨效果的影響Fig.1 Influence of various factors on the results of rain remove

對比圖1(a)和1(b)兩條藍顏色的曲線，當雨滴直徑相同且小于0.3 mm 時，圖1(a)藍色曲線的縱坐標（即落在風擋上的雨滴數(shù)量）要小于圖1(b)藍色曲線的縱坐標；當雨滴直徑相同且大于0.3 mm時，兩種工況下的雨滴數(shù)量差別不大。在雨滴直徑較小時，相對于增加噴射氣體的速度，增大噴氣的入射角度對除雨更有效。

圖1(c)的計算工況是空氣來流速度為100 m/s，噴射氣體的入射角度為75°。圖1(d)的計算工況是空氣來流速度為100 m/s，噴射氣體的速度為340 m/s。隨著雨滴直徑的增加，風擋上的無水滴區(qū)域越來越小，而且當雨滴直徑小于0.3 mm 時無水滴區(qū)域減小的趨勢較大，當雨滴直徑大于0.3 mm時，由于雨滴的慣性較大，噴射氣體對雨滴軌跡的改變較小，致使風擋的無水滴區(qū)域的下降趨勢較緩。當雨滴直徑為一定值時，隨著噴氣的速度和入射角度的增大，風擋的無水滴區(qū)域越大。改變?nèi)肷浣嵌葘Y果的影響比改變速度的大。改變噴氣的速度和入射角度對無水滴區(qū)域的影響還與雨滴直徑的大小有關，雨滴直徑越小，對無水滴區(qū)域的影響越大。當噴氣的入射角度為30°時，即噴氣入射方向與風擋玻璃的相對夾角為0°，風擋的無水滴區(qū)域基本為一個定值。

2.2 雨滴霧化

雨滴霧化可以認為是在內(nèi)外力作用下，雨滴的破碎過程。飛機風擋除雨系統(tǒng)通用規(guī)范GJB5190-2003 第3.2.1.2 條規(guī)定了小雨、中雨、大雨、暴雨、淫雨5 種雨情，其中淫雨的雨滴平均直徑為4 mm[3]。本文在研究雨滴破裂時，設定進入流場的雨滴直徑為4 mm。圖2(a)中藍顏色的顆粒為雨滴破碎后形成的新顆粒，有超過50%的新生顆粒直徑小于20 μm，紅顏色的為原有的雨滴，但其由于空氣的作用，大量的雨滴發(fā)生破碎，顆粒直徑已經(jīng)小于4 mm，而且大部分的新顆粒被高速氣流帶走。圖2(b)縱坐標是流場中顆粒的直徑大小，橫坐標是顆粒在流場中存在的時間。在流場中引入100 粒雨滴，雨滴經(jīng)過噴嘴后，流場中顆粒的數(shù)量變成2016 粒，其中直徑小于20 μm 的顆粒有1361 粒，即大雨滴破碎霧化成大量的小霧滴。

圖2 雨滴破碎形成的新顆粒及直徑Fig.2 The size of the new particles formed by the broken raindrops

3 結論

在不考慮雨滴破碎的情況下，當雨滴直徑小于0.25 mm，可以通過增大噴氣的速度和入射角度，保證風擋上無水滴區(qū)域占50%以上，進而為飛行員提供良好的視野。從節(jié)省能源出發(fā)，在小雨情下，為達到相同的除雨效果，我們可以增大噴氣的入射角度來減少噴氣的速度，進而減少噴氣量。為了能保證吹走雨滴，噴嘴需要與風擋之間有一定的夾角。直徑較大的雨滴會發(fā)生破碎生成直徑為微米量級的雨滴，雨滴的慣性力也會減少，從噴嘴噴出的氣體可以將小雨滴吹離風擋表面。當雨滴直徑大于0.3 mm 且未考慮雨滴破碎時，除雨效果不太理想，在以后的計算中需要考慮雨滴的破碎。當飛機在大雨情下飛行時，伴隨著大雨滴破碎形成小雨滴，會在風擋前形成一層薄霧，這影響到飛行安全，可以考慮增加噴氣的溫度來蒸發(fā)霧滴，防止干擾飛行員的視線。