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大型季节性可移动式结冰风洞及其试验方法研究

朱东宇 冯强 韩晓涛 杨希明 崔晓春 袁立

朱东宇,冯强,韩晓涛,等. 大型季节性可移动式结冰风洞及其试验方法研究[J]. 实验流体力学,2022,36(1):52-61 doi: 10.11729/syltlx20210100
引用本文: 朱东宇,冯强,韩晓涛,等. 大型季节性可移动式结冰风洞及其试验方法研究[J]. 实验流体力学,2022,36(1):52-61 doi: 10.11729/syltlx20210100
ZHU D Y,FENG Q,HAN X T,et al. Researches on a large natural moveable icing wind tunnel and test methods[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2022,36(1):52-61. doi: 10.11729/syltlx20210100
Citation: ZHU D Y,FENG Q,HAN X T,et al. Researches on a large natural moveable icing wind tunnel and test methods[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2022,36(1):52-61. doi: 10.11729/syltlx20210100

大型季节性可移动式结冰风洞及其试验方法研究

doi: 10.11729/syltlx20210100
详细信息
    作者简介:

    朱东宇:(1984—),男,黑龙江海林人,硕士,高级工程师。研究方向:飞机结冰与防除冰技术。通信地址:沈阳市皇姑区阳山路1号中国航空工业空气动力研究院(110034)。E-mail:wonderet@hotmail.com

    通讯作者:

    E-mail:wonderet@hotmail.com

  • 中图分类号: V211.7

Researches on a large natural moveable icing wind tunnel and test methods

  • 摘要: 利用冬季自然低温进行结冰试验是飞机大尺寸部件和整机结冰试验的有效方法。文章总结了法国、加拿大、美国、俄罗斯等国家季节性结冰风洞的主要参数,分析了季节性结冰风洞在大尺寸机翼、螺旋桨和飞机等方面的试验能力。基于中国航空工业空气动力研究院季节性可移动式结冰风洞开展了螺旋桨结冰和机上地面结冰试验方法研究,分析了螺旋桨结冰和冰脱落规律,对于进一步研究螺旋桨结冰问题、发展机上地面结冰试验技术具有参考价值。提出了一种季节性、可移动、模块化组装的直流式结冰风洞概念设计方案,利用我国冬季低温自然环境,每年11月至次年3月具备结冰试验条件,试验窗口期与国外同类设施相当,可满足大尺寸模型和飞机结冰试验需求,为我国建设大型季节性结冰风洞、发展结冰风洞试验技术提供参考。
  • 图  1  S1MA风洞示意图[10]

    Figure  1.  Schematic diagram of S1MA wind tunnel[10]

    图  2  ATR-72飞机真实机翼在S1MA风洞进行结冰试验[13]

    Figure  2.  ATR-72 full scale icing test in S1MA[13]

    图  3  PIWT开放式结冰风洞[14]

    Figure  3.  NRC’s open-circuit propulsion and icing wind tunnel [14]

    图  4  美国FluiDyne结冰风洞IWT[16]

    Figure  4.  FluiDyne icing wind tunnel[16]

    图  5  俄罗斯TsAGI季节性结冰风洞AHT-SD[17]

    Figure  5.  AHT-SD seasonal icing wind tunnel in TsAGI[17]

    图  6  加拿大发动机季节性结冰试验设施[18-19]

    Figure  6.  Outdoor engine icing test facilities[18-19]

    图  7  螺旋桨在结冰风洞扩散段中进行试验[20]

    Figure  7.  Propeller test in icing wind tunnel[20]

    图  8  螺旋桨结冰试验[21]

    Figure  8.  Ice formation on propellers[21]

    图  9  移动式结冰风洞螺旋桨结冰试验[22]

    Figure  9.  Propeller icing test in McKinley[22]

    图  10  McKinley开口风洞流场速度型[22]

    Figure  10.  Velocity profile[22]

    图  11  机上地面结冰试验[24]

    Figure  11.  Aircraft ground icing test in McKinley[24]

    图  12  F-35机上地面结冰试验[25]

    Figure  12.  F-35 icing test in McKinley[25]

    图  13  气动院移动式结冰风洞

    Figure  13.  Natural moveable icing wind tunnel in AVIC ARI

    图  14  螺旋桨结冰情况

    Figure  14.  Icing on propeller

    图  15  不同转速下螺旋桨结冰情况,从上至下螺旋桨转速分别为500、1100、1500、1900 r/min

    Figure  15.  Propeller icing at different rotation speed, from top to bottom: 500, 1100, 1500, 1900 r/min

    图  16  无人机和Y12E飞机结冰试验

    Figure  16.  Icing test on a UAV and Y12E aircraft

    图  17  大型季节性可移动式结冰风洞概念方案

    Figure  17.  Concept of a large natural moveable icing wind tunnel

    图  18  哈尔滨2月某日温度曲线

    Figure  18.  The temperature curve of Harbin on a certain day in February

    图  19  哈尔滨与Winnipeg气温对比

    Figure  19.  Temperature comparison between Harbin and Winnipeg

    表  1  结冰试验设施信息统计[2]

    Table  1.   Summary of icing test facilities[2]

    序号试验设施名称国家试验段尺寸主要试验能力液态水含量
    /(g·m–3
    水滴平均
    体积直径/µm
    制冷
    系统
    1Artington Icing Wind Tunnel英国0.50 m×0.50 m0.10~5.0012~100
    2Aerazur Tunnel de Givrage法国0.50 m×0.30 m0.50~10.0010~40
    3AIT Altitude Test Facility英国0.51 m30.20~2.50+15~40
    4AEDC Engine Test Facilities
    T-1, T-2, T-4
    美国直径0.90 m,2.10 m,3.80 m0.20~3.9015~35
    5AEDC Engine Test Facilities J-1,2美国直径4.90 m,6.10 m0.20~3.9015~35
    6AEDC Engine Test Cell C-2美国直径8.50 m0.20~3.9015~35
    7AEDC Altitude Chamber R-1d美国直径0.90 m0.20~3.9015~40
    8BFG Icing Tunnel美国1.10 m×0.56 m1,2,4,5,7,8c0.40~3.0410~50
    9Boeing BRAIT美国2.40 m×1.50 m,
    1.80 m×1.20 m
    1,2,4,6b,7,8b0.25~3.0015~40
    10CEPr S1法国直径3.50 m3,4,5,7,8c0.15~10.0015~50
    11CEPr R6法国直径5.00 m1,3,4,5,8c0.05~10.0015~50
    12CEPr PAG法国0.20 m×0.20 m;
    0.20 m×0.50 m
    1,70.10~10.0015~50
    13FluiDyne Icing Wind Tunnel美国0.60 m×0.60 m0.10~5.00+10~35
    14G.E. Site 6美国9.80 m×11.30 m3,5,70.30~3.6014~40
    15NASA IRT美国1.80 m×2.70 m1,2,4,5,6b,7,8b0.20~5.0010~40
    16NRC Gas Turbine Icing Test
    Facility Test Cell #4
    加拿大直径7.60 m0.10~2.0015~40
    17NRC Icing Tunnel Facility加拿大0.57 m×0.57 m0.10~1.7010~35
    18NRC Helicopter Icing Facility加拿大5.00 m×23.00 m8a0.1.00~1.0030~60
    19ONERA S1MA法国直径8.00 m1,2,4,5,6,7,8b0.40~10.0010~300
    20Rolls-Royce Hucknall
    15 Inch Icing Tunnel
    英国直径0.46 m0.10~5.0010~50
    21Rolls-Royce Derby ATF英国直径4.00 m10~50
    22Rosemount Icing Wind Tunnel美国0.25 m×0.25 m70.10~3.0015~40
    23T & EE PyestocK Altitude Test Facility英国直径7.6 m,6.1 m3,4,5,8a0.30~2.5015~40
    24Textron Small Engine/
    inlet Icing Ground Test Facility
    美国直径0.90 m3,4,50.50~3.00+15~40
    25Textron Turbofan Engine
    icing Ground Test Facility
    美国直径1.25 m30.20~3.00+15~40
    26UQAC IWT美国0.50 m×0.60 m0.05~3.0010~500
    27UQAC FRFD美国1.80 m×8.00 m速度非常低的
    垂直风洞
    0.50~10.00 mm/h200~2000
    试验能力:1.二维翼型;2.三维机翼;3.发动机带进气道;4.进气道;5.自由流进气道;6.整机;7.传感器;8.直升机;a.全尺寸;b.缩比;c.桨叶。
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    表  2  国外季节性结冰试验设施信息

    Table  2.   Summary of natural icing test facilities

    序号风洞名称国家机构试验段尺寸风速/(m·s–1水滴平均体积直径/µm液态水含量/(g·m–3
    1S1MA法国ONERA直径8.00 m10.0~100.010~3000.4~10.0
    2PIWT加拿大NRC3.00 m×6.00 m40.0~67.015~500.1~2.5
    3IWT美国FluiDyne0.56 m×0.56 m30.5~274.010~350.1~5.0
    4AHT-SD俄罗斯TsAGI1.00 m×1.00 m约150.0
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    表  3  螺旋桨结冰试验状态表

    Table  3.   Propeller icing test conditions

    车次风速
    /(m·s–1
    水滴平均体积
    直径/µm
    液态水含量
    /(g·m–3)
    气温
    /℃
    气压
    /kPa
    湿度
    /%
    螺旋桨转速
    /(r·min–1
    试验时间
    /min
    110200.5–14.7100.55611005
    210200.8–7.9100.12750015
    310200.5–11.0100.036110015
    410200.5–10.099.6681100/150015
    510200.5–12.9100.0631100/190015
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    表  4  大型季节性可移动式结冰风洞试验能力

    Table  4.   Large natural moveable icing wind tunnel test capability

    组合形式试验段尺寸试验能力
    1×12.5 m×2.5 m螺旋桨、发动机、飞机整机
    2×25.0 m×5.0 m螺旋桨、发动机、飞机整机
    1×42.5 m×10.0 m三维全尺寸机翼
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-20
  • 修回日期:  2021-11-19
  • 录用日期:  2021-11-22
  • 刊出日期:  2022-03-17

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    2021年8月13日