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结冰风洞云雾参数变化规律初探

胡站伟  
【摘要】: 结冰风洞是飞行器结冰研究的主要地面试验手段,其难点在于结冰云雾的控制。根据我国结冰风洞建设的具体需要,结合国内外结冰风洞云雾物理模型较为粗糙的研究现状,本文通过对结冰风洞中云雾产生、运动、变化进行理论分析和数值建模,对结冰风洞云雾参数的变化规律进行全面分析。 文章首先介绍了结冰风洞云雾研究的背景,并对现有结冰云雾模拟模型做了简单讨论,提出了本文的研究内容。而后通过分析结冰风洞流场、喷雾、云雾中液滴运动变化的物理过程,结合商用CFD软件FLUENT的DPM (Discrete Particle Model)模型,确定了适用的流场模型、喷雾模型、液滴运动模型、液滴碰撞模型、液滴破碎模型、液滴传热传质模型和风洞壁面模型,以及各模型相应的数值分析方法。 其次,根据数值模拟的需要,对喷雾相关物理模型和参数进行了详细的分析论证:讨论并创建了符合结冰云雾环境中各组分物性参数的材料数据库文件;模拟了过冷液滴在流场中运动过程,得到了液滴运动变形过程的内部流场,并分析液滴特性和流场因素对液滴变形与曳力系数的影响,同时还讨论了结冰云雾中液滴的跟随性;通过SUJ11喷嘴喷雾特性的PDPA测量试验,对比分析三种不同的射流源模型,建立了适合喷雾模拟的文件射流源。 最后,根据前文的物理模型和相应参数,对结冰风洞云雾进行了全面考察:对结冰风洞部段进行建模,并对结冰风洞流场及其影响因素进行了模拟分析;在二维模拟下,讨论了结冰风洞环境中影响液滴运动变化特性的物理因素及其作用,发现影响液滴终态直径的主要因素为风洞湿度和液滴初始温度,影响液滴运动和空间散布的主要因素为风洞湍流强度和液滴的入射角度;在三维模拟下,对结冰风洞云雾进行模拟分析,发现影响云雾MVD值的主要因素为湿度和液滴初始温度,LWC及其分布与湍流强度、喷雾锥角、风速、MVD等因素有关;验证性模拟证实了液态水含量分布定性模拟结果与国外相关研究结果相符。 文章结尾对已做工作加以回顾,指出存在的不足和今后的研究方向。


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