Researches on a large natural moveable icing wind tunnel and test methods
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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。Abstract: An open circuit natural icing wind tunnel sucking cold air from the outside in winter provides affordable icing wind tunnel test methods for full scale models and aircrafts. Information of natural icing wind tunnels is summarized, and test capabilities on large scale wings, propellers, and aircrafts are analyzed. The propeller and aircraft icing test methods were researched in Harbin using a single module natural icing wind tunnel, and ice accretion and shedding on the propeller are documented and analyzed, test results of which have a certain reference value for propeller and aircraft icing researches. A seasonal, moveable and assembled icing wind tunnel concept is presented which can take the advantage of cold winter climate, and allows a similar period from November to March to conduct icing tests compared with the outdoor icing test facility in Winnipeg, Canada. Researches provide references for the construction of national large scale natural icing test facilities and development of test methods.
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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 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
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1 Artington Icing Wind Tunnel 英国 0.50 m×0.50 m — 0.10～5.00 12～100 有 2 Aerazur Tunnel de Givrage 法国 0.50 m×0.30 m — 0.50～10.00 10～40 有 3 AIT Altitude Test Facility 英国 0.51 m 3 0.20～2.50+ 15～40 有 4 AEDC Engine Test Facilities
T-1， T-2， T-4美国 直径0.90 m，2.10 m，3.80 m — 0.20～3.90 15～35 — 5 AEDC Engine Test Facilities J-1，2 美国 直径4.90 m，6.10 m — 0.20～3.90 15～35 — 6 AEDC Engine Test Cell C-2 美国 直径8.50 m — 0.20～3.90 15～35 — 7 AEDC Altitude Chamber R-1d 美国 直径0.90 m — 0.20～3.90 15～40 — 8 BFG Icing Tunnel 美国 1.10 m×0.56 m 1，2，4，5，7，8c 0.40～3.04 10～50 有 9 Boeing BRAIT 美国 2.40 m×1.50 m，
1.80 m×1.20 m1，2，4，6b，7，8b 0.25～3.00 15～40 有 10 CEPr S1 法国 直径3.50 m 3，4，5，7，8c 0.15～10.00 15～50 — 11 CEPr R6 法国 直径5.00 m 1，3，4，5，8c 0.05～10.00 15～50 — 12 CEPr PAG 法国 0.20 m×0.20 m；
0.20 m×0.50 m1，7 0.10～10.00 15～50 — 13 FluiDyne Icing Wind Tunnel 美国 0.60 m×0.60 m — 0.10～5.00+ 10～35 无 14 G.E. Site 6 美国 9.80 m×11.30 m 3，5，7 0.30～3.60 14～40 无 15 NASA IRT 美国 1.80 m×2.70 m 1，2，4，5，6b，7，8b 0.20～5.00 10～40 有 16 NRC Gas Turbine Icing Test
Facility Test Cell #4加拿大 直径7.60 m — 0.10～2.00 15～40 — 17 NRC Icing Tunnel Facility 加拿大 0.57 m×0.57 m — 0.10～1.70 10～35 有 18 NRC Helicopter Icing Facility 加拿大 5.00 m×23.00 m 8a 0.1.00～1.00 30～60 无 19 ONERA S1MA 法国 直径8.00 m 1，2，4，5，6，7，8b 0.40～10.00 10～300 无 20 Rolls-Royce Hucknall
15 Inch Icing Tunnel英国 直径0.46 m — 0.10～5.00 10～50 — 21 Rolls-Royce Derby ATF 英国 直径4.00 m — — 10～50 — 22 Rosemount Icing Wind Tunnel 美国 0.25 m×0.25 m 7 0.10～3.00 15～40 有 23 T & EE PyestocK Altitude Test Facility 英国 直径7.6 m，6.1 m 3，4，5，8a 0.30～2.50 15～40 — 24 Textron Small Engine/
inlet Icing Ground Test Facility美国 直径0.90 m 3，4，5 0.50～3.00+ 15～40 — 25 Textron Turbofan Engine
icing Ground Test Facility美国 直径1.25 m 3 0.20～3.00+ 15～40 — 26 UQAC IWT 美国 0.50 m×0.60 m — 0.05～3.00 10～500 有 27 UQAC FRFD 美国 1.80 m×8.00 m 速度非常低的
垂直风洞0.50～10.00 mm/h 200～2000 有 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） 1 S1MA 法国 ONERA 直径8.00 m 10.0～100.0 10～300 0.4～10.0 2 PIWT 加拿大 NRC 3.00 m×6.00 m 40.0～67.0 15～50 0.1～2.5 3 IWT 美国 FluiDyne 0.56 m×0.56 m 30.5～274.0 10～35 0.1～5.0 4 AHT-SD 俄罗斯 TsAGI 1.00 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
/min1 10 20 0.5 –14.7 100.5 56 1100 5 2 10 20 0.8 –7.9 100.1 27 500 15 3 10 20 0.5 –11.0 100.0 36 1100 15 4 10 20 0.5 –10.0 99.6 68 1100/1500 15 5 10 20 0.5 –12.9 100.0 63 1100/1900 15
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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 1×1 2.5 m×2.5 m 螺旋桨、发动机、飞机整机 2×2 5.0 m×5.0 m 螺旋桨、发动机、飞机整机 1×4 2.5 m×10.0 m 三维全尺寸机翼
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