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机翼混合相冰晶结冰现象的数值研究

西安交通大学学报 2024年第10期58卷 168-177页

作者：钟富豪刘森云刘秀芳代欣波陈佳军苗庆硕易贤侯予西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 西安交通大学深低温技术与装备教育部重点实验室西安710049

为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰... 详细信息

为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰和侵蚀全物理过程的混合相结冰数值计算方法。分析了冰晶质量浓度(ice water content,IWC)、液态水质量浓度(liquid water content,LWC)以及冰晶黏附和侵蚀效应对结冰形态和结冰厚度的影响规律,对比了NTI和NRC两种冰晶黏附模型的适用条件。研究结果表明:当总水含量(total water content,TWC)一定时,随着冰水含量比IWC与LWC之比的增加,结冰覆盖面积逐渐减小,最大结冰厚度先增大后减小,冰形由冠状逐渐变为尖角状,当IWC与LWC分别为0.4 g·m^(-3)和1.0 g·m^(-3)时,驻点处的结冰厚度达到最大值;对于高IWC工况,NRC黏附模型的驻点结冰厚度更接近实验结果,误差为7.2%;对于低IWC工况,NTI模型与NRC模型的驻点结冰厚度接近;侵蚀作用主要影响翼型驻点附近的区域,IWC或LWC的增大均会加剧侵蚀效应。研究可为飞行器高效防除冰系统的设计提供理论依据。

关键词：混合相冰晶结冰黏附侵蚀数值模拟

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0.75m×0.50m结冰风洞气动——热流场品质评估

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航空工程进展 2024年第4期15卷 162-170,F0002页

作者：魏龙涛刘森云王桥郭奇灵中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000

结冰风洞气动—热流场品质是结冰风洞开展试验应用的先决条件,为评估0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场品质,依照SAE ARP 5905结冰风洞标准,对0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场开展符合性校测试验,考察试验段中心截面的气流速... 详细信息

结冰风洞气动—热流场品质是结冰风洞开展试验应用的先决条件,为评估0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场品质,依照SAE ARP 5905结冰风洞标准,对0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场开展符合性校测试验,考察试验段中心截面的气流速度场、方向场和温度场品质,获得试验段气流速度修正关系和气流总温修正关系。结果表明:试验段气流速度空间最大偏差小于±2%,且试验段气流速度空间均匀性会随着气流速度的增大而得到改善;试验段气流偏角空间最大偏差小于0.8°;气流总温在-20℃以内时,空间均匀性可达到±1℃,气流总温为-30℃时,空间均匀性可达±2℃;0.75m×0.50m结冰风洞的气动—热流场品质符合SAE ARP 5905要求。

关键词：结冰风洞气动流场气流偏角温度场流场品质

Investigation of Heterogeneous Ice Nucleation on the Micro-Cubic Structure Superhydrophobic Surface for Enhancing Icing-Delay Performance

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Journal of Renewable Materials 2020年第12期8卷 1617-1631页

作者： senyun liu Qinglin liu Xian Yi Yizhou Shen Long Guo Wenqing Hou Haifeng Chen Zhen Wang State Key Laboratory of Aerodynamics China Aerodynamics Research and Development CenterMianyang621000China Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing China Aerodynamics Research and Development CenterMianyang621000China Department of Materials Chemistry Qiuzhen SchoolHuzhou UniversityHuzhou313000China College of Materials Science and Technology Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing210016China

The aim of this study is to explore the heterogeneous ice nucleation behavior based on controllable micro-cubic array structure surfaces from the statistic *** this end,we firstly constructed a group of micro-cubic array structures on silicon substrates by a selective plasma etching *** grafting low-free-energy substance,the as-constructed micro-cubic array structure surfaces exhibited higher non-wettability with the water contact angle being up to 150°.On this basis,500 cycles of freezing and melting processes were accurately recorded to analyze the instantaneous ice nucleation behavior according to the statistical results of freezing *** a consequence,the statistical freezing temperature of the sample with micro-spacing distance of 40μm is as low as−17.13°*** microstructure configuration(conforming to Cassie-Baxter wetting regime)not only could entrap more air pockets,but also achieved lower solid-liquid contact area,resulting in lower ice nucleation rate(~2–3 orders of magnitude less than that on the flat substrate).Furthermore,the gradually increasing micro-spacing distance to 60μm would induce the transition from CassieBaxter to Wenzel wetting state,leading to higher freezing probability and ice nucleation *** complete understanding on microstructure configuration improving the ice nucleation will lay the foundation stone for the microstructure design of ice-repellent materials.

关键词： Microstructure configuration superhydrophobic ice nucleation antiicing/icephobic material

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结冰风洞中过冷大水滴云雾演化特性数值研究

航空学报 2020年第8期41卷 202-219页

作者：郭向东柳庆林刘森云王梓旭李明中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心飞行器结冰与防/除冰重点实验室绵阳621000

为明晰结冰风洞中过冷大水滴(SLD)云雾演化特性,发展了基于欧拉法的SLD液滴运动、传热和传质耦合计算方法,针对3m×2m结冰风洞主试验段水平收缩构型,分析了SLD云雾沉降收缩特性、动量平衡特性和热平衡特性,探索了液滴变形破碎的影响,评... 详细信息

为明晰结冰风洞中过冷大水滴(SLD)云雾演化特性,发展了基于欧拉法的SLD液滴运动、传热和传质耦合计算方法,针对3m×2m结冰风洞主试验段水平收缩构型,分析了SLD云雾沉降收缩特性、动量平衡特性和热平衡特性,探索了液滴变形破碎的影响,评估了构型出口处SLD液滴动量平衡和热平衡状态。研究结果表明:直径超过250μm的SLD液滴在构型内会发生显著形变,液滴尺寸越大则变形程度越强,尤其在160m/s工况下,当液滴直径超过750μm后,SLD液滴甚至会发生破碎;液滴变形破碎效应会增大液滴加速度和液滴温度下降率,促使SLD液滴趋近动量平衡和热平衡状态;SLD云雾(最大液滴直径小于1000μm)在构型出口处会出现显著的粒径浓度分层、动量分层和热分层现象,其中直径小于100μm的小尺寸液滴速度快、温度低且不断凝结,趋于平衡态,但直径超过500μm的大尺寸SLD液滴速度慢、温度高且不断蒸发,则显著偏离平衡态;增大试验段气流速度尽管会减弱SLD云雾粒径浓度分层程度,但会增强动量分层和热分层程度,尤其在160m/s工况下,SLD云雾会均匀分布在构型出口中心区域内(-0.75m

关键词：飞机结冰结冰风洞过冷大水滴云雾演化欧拉法

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环境参数对飞机防冰热载荷的影响规律

航空动力学报 2021年第1期36卷 8-14页

作者：倪章松刘森云张军王茂王梓旭西北工业大学航空学院西安710072 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621050 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621050

为在飞机热气防冰系统设计过程中准确计算防护表面的防冰热载荷,以某飞机翼段模型为例,对防冰热载荷计算开展了研究,给出了计算流程,研究了来流速度、高度、温度、液态水含量和水滴直径等环境参数变化对翼段表面热载荷分布规律的影响。... 详细信息

为在飞机热气防冰系统设计过程中准确计算防护表面的防冰热载荷,以某飞机翼段模型为例,对防冰热载荷计算开展了研究,给出了计算流程,研究了来流速度、高度、温度、液态水含量和水滴直径等环境参数变化对翼段表面热载荷分布规律的影响。研究结果表明:(1)热载荷主要分布在机翼前缘,且越靠近翼尖部分热载荷数值越大,热载荷曲线呈现中间低两边高的分布;(2)表面热载荷分布范围和量级与来流速度和水滴直径呈正相关关系;飞行高度的变化对表面热载荷分布的影响较小;来流温度降低或液态水含量增加,热载荷数值增大但分布范围不变;水滴直径增加10μm,上翼面热载荷分布范围增加约50%。

关键词：防除冰热载荷环境参数三维机翼对流换热

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风洞侧壁干扰对机翼表面霜冰的影响

航空动力学报 2021年第10期36卷 2197-2206页

作者：郭奇灵刘森云易贤郭向东刘宇杨升科中国空气动力研究与发展中心结冰与防/除冰重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000

采用数值模拟的方法研究了不同阻塞度下侧壁干扰对NACA0012翼型表面霜冰生长的影响。通过对流场和水滴撞击特性的研究发现:侧壁干扰会压缩来流空气,致使更多水滴跟随气流向机翼前缘汇集,增大了翼面水滴收集系数,且翼面水滴总收集量与阻... 详细信息

采用数值模拟的方法研究了不同阻塞度下侧壁干扰对NACA0012翼型表面霜冰生长的影响。通过对流场和水滴撞击特性的研究发现:侧壁干扰会压缩来流空气,致使更多水滴跟随气流向机翼前缘汇集,增大了翼面水滴收集系数,且翼面水滴总收集量与阻塞度成正比、与液滴雷诺数成反比;同时会改变水滴的撞击方向,使水滴撞击极限和最大水收集系数的位置发生偏移。采用多步法对结冰特性的研究发现:在基准计算工况下,当阻塞度为20%时,侧壁干扰效应带来结冰量的相对附加增量约为16%;在同一阻塞度下,各时间步长内的结冰相对附加增量基本相等。提出了一种表征侧壁干扰对水滴收集影响强弱的因子,该影响因子与水滴收集相对附加增量具有较高的线性关系。

关键词：侧壁干扰阻塞度水滴撞击霜冰生长水滴收集量结冰量

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座舱热载荷太阳辐射模拟器设计研究

光学学报 2020年第9期40卷 140-147页

作者：陈圆圆方贤德郭龙刘森云赖庆仁中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 南京航空航天大学航空学院江苏南京210016

针对特定机型座舱热载荷实验,提出太阳辐射模拟器光学系统的设计方法,并在此基础上研制出一套太阳辐射模拟器。设计了单只太阳辐射灯,完成了空间灯阵设计。采用提出的预调节方法,获得了合理的单灯安装位置。根据设计方案完成了光学系统... 详细信息

针对特定机型座舱热载荷实验,提出太阳辐射模拟器光学系统的设计方法,并在此基础上研制出一套太阳辐射模拟器。设计了单只太阳辐射灯,完成了空间灯阵设计。采用提出的预调节方法,获得了合理的单灯安装位置。根据设计方案完成了光学系统的加工和安装,并对其开展了性能测试。结果表明:辐照度分布计算误差为12.0%,证明提出的预调节方法可行;根据预调节方法得到的座舱透明件表面热效应,与设计热效应偏差为-3.1%,说明达到了目标辐照环境;光学系统辐照不稳定度为±0.52%,具有较好的稳定性。研究结果对太阳辐射模拟器的设计具有参考价值。

关键词：光学设计太阳辐射氙灯辐照强度热载荷

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基于闪光红外热像技术的积冰探测方法

南京航空航天大学学报:英文版 2023年第S01期40卷 105-117页

作者：李清英勾一刘森云么娆上海工程技术大学航空运输学院上海201620 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000

结冰探测在防除冰系统运行中起着至关重要的作用。本文提出了利用红外热波检测技术进行了积冰探测,并运用相关分析技术探讨了积冰边缘、厚度识别与冰形重建的方法。搭建了闪光脉冲红外主动式红外积冰探测实验平台,制备了规则型与阶跃型... 详细信息

结冰探测在防除冰系统运行中起着至关重要的作用。本文提出了利用红外热波检测技术进行了积冰探测,并运用相关分析技术探讨了积冰边缘、厚度识别与冰形重建的方法。搭建了闪光脉冲红外主动式红外积冰探测实验平台,制备了规则型与阶跃型积冰样件,借助红外热像仪采集了受脉冲红外热激励后的积冰红外热信号。运用传统边缘检测方法与新构建的高斯‑拉普拉斯金字塔和面积滤波相结合的边缘检测算法进行了积冰边缘识别效果的对比与分析。利用积冰热信号的时空相关性,提出了在长短时记忆(Long short term memory,LSTM)模型中引入注意力机制建立端到端的红外探测积冰厚度预测模型(Convolutional neural netwok‑long short term memory‑efficient channel attention,CNN‑LSTM‑ECA),用以预测积冰厚度。此外,通过结合边缘检测和厚度预测,进行了阶梯状积冰样件的三维重建。结果表明,基于高斯‑拉普拉斯金字塔和区域滤波的传统边缘检测算法和新的边缘检测算法都可以用于检测冰的外边缘,但新算法在检测具有内部阶梯边界的冰边缘方面显示出显著的优势。基于信号特征的CNN‑LSTM‑ECA厚度预测模型在预测精度、稳定性和抗噪声性方面表现良好。重建三维积冰形状的数据来源于采集的数字信号和热图像,不受温度读数和传热条件的限制,具有更广阔的应用前景。此项研究为探索一种利用闪光脉冲红外技术进行积冰冰形有效、准确、定量识别提供可参考的方案。

关键词：积冰红外探测边缘检测厚度预测三维重建

气隙构型对高频交流SDBD防除冰激励器的温升影响

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航空学报 2021年第6期42卷 218-228页

作者：魏德宸张国鑫陈永彬刘森云滨州学院航空工程技术研究院滨州256600 中国航空研究院北京100012 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000

等离子体激励具有电离效应、气动效应和热效应,可被用于飞行器防除冰。背面电极的气隙构型对于交流供电的沿面介质阻挡放电(SDBD)防除冰激励器的单周期放电次数和放电电荷分布均有影响,电源频率也为影响激励器温升的重要因素。目前对于... 详细信息

等离子体激励具有电离效应、气动效应和热效应,可被用于飞行器防除冰。背面电极的气隙构型对于交流供电的沿面介质阻挡放电(SDBD)防除冰激励器的单周期放电次数和放电电荷分布均有影响,电源频率也为影响激励器温升的重要因素。目前对于交流SDBD温升效果的研究均是基于背面电极无气隙的构型,且缺乏激励频率大于15kHz的高频条件。为此制作了背面电极有气隙和无气隙的对照构型,在35~55kHz的高频范围内,采用电学特性、红外测温、放电形态相结合的方式研究了交流SDBD防除冰激励器温升特性。结果表明:施加相同的电压或频率时,背面电极有气隙构型的SDBD激励器的裸露正面最高温度相比无气隙构型激励器可提高至151.51%;背面电极气隙的存在也可以使激励器正面尤其是正面等离子放电反方向的温升区域扩大;增加频率使交流SDBD激励器的温度非线性提高,有助于降低高压击穿风险。

关键词：等离子体防冰除冰气隙温升高频沿面介质阻挡放电(SDBD)