过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法

摘要

本发明公开了一种过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法，目的在于解决现有过冷小水滴的结冰试验参数选取方法用于过冷大水滴结冰实验的效果不好，通过飞机的缩比模型上的结冰无法反映真实结冰的情况的问题。本发明在确定模型与真实飞机的缩比关系后，根据理论推导与数值计算的方法，对应于真实的结冰飞行条件，依次给出风洞试验段的空气速度、水滴平均粒径、空气压强、液态水含量、结冰时间、过冷水低温度这几个实验参数。根据换算得到的试验参数，进行飞行器结冰风洞实验，试验结果与真实结果能够满足结冰过程的主要特征的相似要求。可见，采用本发明的计算方法能够得到用于结冰风洞试验中的模型参数，相应参数用于结冰风洞实验能够反映真实结冰的情况。

主权项

过冷大水滴条件下结冰风洞试验中模型参数的计算方法，包括如下步骤：(一)根据被模拟物的要求，确定被模拟物的真实外形和真实气象条件，所述真实外形和真实气象条件包含以下七个参数：真实外形特征长度L_f、飞行速度V_f、空气中的过冷水滴直径d_f、大气压强P_f、空气中的液态水含量LWC_f、结冰总时间t_f、来流温度T_f；(二)将被模拟物的外形按照比例缩小，制作一个与被模拟物几何相似的物理模型；(三)根据步骤二制备的物理模型，确定物理模型的模型特征长度L_m，根据模型特征长度L_m和真实外形特征长度L_f，得到实验的缩比数，缩比数的值为(四)计算撞击因子K_i，计算公式如下：该式中，ρ_d为水密度，σ_d为水表面张力系数，μ_d为水粘性系数，D_d为水滴直径，V为来流速度，根据真实气象条件，计算得到K_i的值；(五)根据步骤四得到的K_i值，采用如下公式得到判断因子ε的值：$\left\{\begin{array}{cc}ϵ=0.6& K_i>57.7\\ ϵ=0.5& K_i<=57.7\end{array}\right.;$(六)根据步骤一中的V_f、步骤三得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的速度V_m：该式中，γ＝1.4；(七)根据步骤一中的V_f、步骤三得到的步骤五得到的ε的值，采用如下公式计算得到实验需要的过冷水滴直径d_m：$\frac{d_m}{d_f}={\left(\frac{V_f}{V_m}\right)}^{\frac{1}{ϵ}};$(八)由于在开氏温标下，实验需要的温度和真实温度相差相近，令的初始值为1；(九)采用如下公式计算实验需要的压强P_m：$\frac{P_m}{P_f}={\left(\frac{V_f}{V_m}\right)}^2\left(\frac{T_m}{T_f}\right);$(十)采用如下公式计算，得到实验需要的液态水含量LWC_m：$\frac{{\mathrm{LWC}}_m}{{\mathrm{LWC}}_f}=\frac{P_m}{P_f}/\left({\left(\frac{L_m}{L_f}\right)}^{0.5}{\left(\frac{V_m}{V_f}\right)}^{0.5}\right);$(十一)采用如下公式计算，得到实验需要的结冰总时间t_m：$\frac{t_m}{t_f}={\left(\frac{L_m}{L_f}\right)}^{1.5}/\left({\left(\frac{V_m}{V_f}\right)}^{0.5}{\left(\frac{P_m}{P_f}\right)}^{0.5}\right);$(十二)采用如下公式计算，得到实验需要的来流温度T_m′：$T_m^{\prime }=T_f+\frac{{\theta }_m-{\theta }_f}{b}+\frac{{V_f}^2-{V_m}^2}{2*C_{p,w}},$该式中，C_p,w是水的比热，C_p,w＝4.184×10³J/Kg.K^‑1，θ是空气能量传输参数，b是相对温度因子，${\theta }_m=(273.15-T_m)-r\frac{{V_m}^2}{2C_p},$${\theta }_f=(273.15-T_f)-r\frac{{V_f}^2}{2C_p},$$b=\frac{{\mathrm{LWC}}_f·V_f·C_{p,w}}{h_c},$其中，驻点处的热对流系数k是空气的热传导率；ρ是水的密度；r是恢复因子，r＝Pr^1/2，其中Pr＝0.72，Cp是空气的比热，μ是空气动力粘性系数；(十三)采用如下公式计算温度的相对误差T_δ：T_δ＝|T′_m‑T_m|/T_m，若T_δ＞0.000001,则令T_m＝T′_m，返回到步骤九；如果T_δ≤0.000001,则T_m＝T′_m，结束循环。