大尺度過冷水滴動力學特性的實驗研究

《大尺度過冷水滴動力學特性的實驗研究》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由肖京平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大尺度過冷水滴動力學特性的實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：肖京平
• 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心

項目摘要

本課題針對大尺度過冷水滴（SLD）結冰這種嚴重危害飛行安全的現象，提出了研究SLD條件下水滴撞擊動力學特性以揭示該類結凍的共同規律和本質特徵的構想。採用實驗、理論分析和計算相結合的手段，針對該類結冰過程所涉及的水滴變形、破碎和飛濺等動力學行為，基於氣體動力學、計算機圖形學、量綱分析方法等基本理論和高速顯微攝像實驗技術，對SLD撞擊壁面的動力學特性進行研究，建立基於無量綱分析的水滴變形、破碎和飛濺的初步判則和定量描述方法，建立SLD動力學行為特徵資料庫，為完善SLD撞擊模型，闡明SLD結凍的形成機制，發展SLD結冰研究方法、改進現有結冰計算模型提供理論依據和技術支撐。

結題摘要

過冷大水滴結冰是目前飛機結冰領域研究的熱點與難點。過冷大水滴結冰環境的特點是水滴平均直徑大、分布廣，液態水含量大，結冰環境溫度較高。由於水滴直徑較大，過冷大水滴在運動、撞擊飛機表面時存在顯著的動力學現象，例如在強氣動力作用下會發生變形、破碎現象；在撞擊固壁或液膜時可能發生鋪展、飛濺等現象；結冰環境溫度較高會導致水滴撞擊後不會立刻凍結；多數情況會形成液態水膜並在氣流驅動下沿固壁流動過程中逐漸凍結。由此導致過冷大水滴結凍的範圍廣、結冰量大、冰形不規則，飛濺子水滴的二次撞擊結冰位置靠後容易形成冰瘤或冰脊， 這往往超出了飛機防除保護的範圍，對飛行安全構成了嚴重威脅。本項目開展前，我國針對過冷大水滴結凍的研究尚處於起步階段，數值模擬的大部分數學模型尚不夠完善，實驗研究十分匱乏，遠落後於國外先進水平。針對這一現象，本項目設計搭建了過冷大水滴動力學特性實驗平台，利用高速攝影技術開展了水滴變形、破碎和飛濺等動力學特性實驗研究。 項目首先搭建了水滴動力學特性實驗系統。設計研製了壓電式等徑離散水滴發生器和點滴器兩套水滴發生系統，分析了水滴的產生機理與直徑的控制方法。 在此基礎上開展了水滴變形及其對阻力特性影響研究和水滴碰撞飛濺研究；在不同試驗條件下開展了SLD變形破碎實驗，獲得了水滴變形4個典型形態和水滴阻力係數隨水滴We數、Bo數的變化規律，獲得了水滴變形率、水滴臨界變形率、阻力係數的溫度敏感性，建立了水滴阻力係數計算模型；在光滑乾燥表面開展了的SLD碰撞對比實驗，分析了碰撞速度、角度、溫度對大水滴碰撞特性（水滴最大鋪展範圍、收縮範圍、滑移距離）的影響規律，構建了水滴最大鋪展範圍模型和SLD滑移模型；在粗糙表面和水膜表面上開展了的SLD碰撞實驗，獲得了表面粗糙度對水滴碰撞飛濺的影響規律，建立了水滴飛濺角度與表面粗糙度的相關關係數學模型。 本項目的順利實施提高了對水滴動力學的科學認識，為SLD結冰計算的發展提供了模型基礎。