面向过冷大水滴适航验证的结冰探测技术研究_王小辉.pdf

第 55 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.55 No.2Apr.2023南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics面向过冷大水滴适航验证的结冰探测技术研究王小辉1，马庆林1,2，孔维梁3，韩王超1，常红亮1（1.中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所,西安 710089；2.西北工业大学航空学院,西安 710072；3.上海交通大学航空航天学院,上海 200240）摘要：过冷大水滴（Supercooled large droplet，SLD）结冰超出了常规防除冰系统的防护范围，是一种更为严重的结冰情形，极大地影响着飞行安全。在美国联邦航空管理局 14 CFR 25.140条款中明确提到为保证飞机在 SLD结冰条件下的安全运行，首先且必须要对 SLD结冰气象环境进行探测。由于水滴破碎会改变水滴运动轨迹和表面撞击水分布，使水滴撞击极限变小，而水滴飞溅对结冰极限位置影响不大，因此本文通过研究大、小粒径水滴在飞机上收集范围不同的特点，提出一种可以满足 SLD结冰适航符合性的结冰探测技术。该结冰探测技术采用常规结冰探测器，根据水滴收集范围将其布置于不同敏感结冰部位，可以实现全剖面飞行的结冰环境探测。关键词：过冷大水滴；结冰适航验证；水滴撞击特性；结冰探测技术；飞行安全中图分类号：V271.4 文献标志码：A 文章编号：10052615（2023）02026509Research on Aircraft Icing Detection of Supercooled Large Droplet for Airworthiness CertificationWANG Xiaohui1，MA Qinglin1，2，KONG Weiliang3，HAN Wangchao1，CHANG Hongliang1（1.Xi an Aircraft Institute，Aviation Industry Corporation of China，Xi an 710089，China；2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi an 710072，China；3.School of Aeronautics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）Abstract:Supercooled large droplet（SLD）icing is beyond of the protection ability of the conventional anti-icing system.SLD is a more serious icing environment and could badly affect the flight safety.In order to ensure flight safety in the SLD icing condition，the precondition is that the SLD should be detected explicitly required by the 14 CFR 25.140 of Federal Aeronautics Administration.It is found that the breakup of droplets will change their trajectory and distribution，and reduce the impingement limit on the wing-leading edge，while the splash of droplets has little effect on the impingement limit.Therefore，ice detection technologies satisfying airworthiness compliance of SLD is studied in this paper considering the characteristics of a various range of large and small droplets.Conventional ice detectors with mature technologies are used and are located in the ice sensitive zones according to the collection range of water droplets.It can detect the whole ice environment in the methods above.Key words:supercooled large droplet；ice airworthiness certification；droplet impingement characteristics；icing detection technology；flight safety近年来，与飞机结冰相关的事故使人们对飞机结冰的影响研究进入了一个新高潮1。1994 年一架 ATR72涡桨型飞机遭遇了严重的自然结冰气象环境，最终导致飞机坠毁2。虽然 ATR72 涡桨型飞机除冰系统满足美国联邦航空管理局适航规章14 CFR 25 附录 C 中自然结冰气象环境飞行的要DOI：10.16356/j.10052615.2023.02.012收稿日期：20220318；修订日期：20220621通信作者：王小辉，男，高级工程师，E-mail：。引用格式：王小辉，马庆林，孔维梁，等.面向过冷大水滴适航验证的结冰探测技术研究 J.南京航空航天大学学报，2023，55（2）：265273.WANG Xiaohui，MA Qinglin，KONG Weiliang，et al.Research on aircraft icing detection of supercooled large droplets for airworthiness certification J.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，2023，55（2）：265273.第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报求，但也未能避免这次自然结冰带来的灾难。调查发现引起这次空难的原因是由于遇到了过冷大水滴（Supercooled large droplet，SLD）自然结冰气象环境，飞机结冰超出了除冰系统的防护范围，最终导致空难的发生。在此事件之后，又出现了几起类似结冰气象环境而引发的空难3，给航空界造成了非常恶劣的影响。为保障中国飞机在结冰气象环境中的运营安全，提高国产民用飞机的市场认可度，SLD 结冰适航符合性验证成为尤为重要的环节。其中涉及到一个关键点就是飞机要具有 SLD 结冰探测的能力，特别是要具有区分常规结冰气象环境（美国联邦航空管理局发布的适航规章 FAR25附录 C 定义的结冰气象环境）和 SLD 结冰气象环境（美国联邦航空管理局发布的适航规章 FAR25附录 O 定义的结冰气象环境）的探测能力。目前飞机结冰探测的技术方法有 10余种之多48，在 SLD 的探测方面也有大量的研究，如美国国家大气研究中心曾研制了一种 SLD 结冰气象预报装置9，并已申请专利。国内华中科技大学、中国商用飞机有限责任公司和武汉航空仪表有限责任公司在结冰探测方面也进行了较深入的研究1011，但在计算方法和结冰探测系统设计架构方面，可实际应用并能够区分常规结冰气象环境和 SLD 结冰气象环境的探测技术鲜有报道。本文通过分析水滴破碎效应和飞溅效应对撞击特性的影响规律，研究适用于常规和 SLD 结冰气象环境的结冰探测技术，包含结冰探测器安装位置的确定方法及结冰探测系统设计等，以满足国内飞机在结冰气象条件下的适航符合性。1 水滴动力学模型1.1破碎模型对于 SLD 结冰数值的模拟，通常采用泰勒类比模型（Taylor analogy breakup，TAB）。在此基础上，加载水滴破碎和水滴变形模型以实现对 SLD结冰模拟。当水滴振荡频率达到某一阀值时，水滴的形态就会发生变化：大水滴发生变形破碎，形成一群小水滴。在水滴形态发生变化的过程中，其也由原来的球体形态变化为其他形态1213。同时，水滴所受到的力也将发生变化。控制水滴变形的方程为14F-kx-Ddxdt=md2xdt2（1）式中：F为水滴在流场中受到的恢复力；k为水滴因表面张力影响的恢复系数；x为实际水滴赤道与其为球形时赤道间的位移量；D 为水滴受到的黏性力；t为时间；m为水滴质量。方程的系数来源于泰勒类比km=Cklr3（2）在水滴发生破碎时有x Cbr（3）水滴位移公式为d2ydt2=Cfgu2Cblr2-Cklr3y-Cdllr2dydt（4）式中：变形度y=x/(Cbr)，表示水滴变形程度的无量纲参数，其中Cb=0.5，r为水滴未发生变形前的球体半径；l、g分别为水滴与空气的密度；u 为水滴 相 对 空 气 的 速 度；为 水 滴 表 面 张 力 系 数；Cf、Ck、Cd为常数，结合实验数据可以求得：Cf=1/3，Ck=8，Cd=513。参数 Re 和 We 表征水滴黏性力、表面张力与惯性力之间的关系，可共同作为水滴破碎的判定，其定义为Re=g|va-vdd（5）We=g|va-vd2d（6）式中：d为水滴粒径；va-vd为空气与水滴速度差；为水滴动力黏性系数。由于 TAB 模型的假设限制，其仅适用于较小We 数下的水滴破碎模拟。为了扩展水滴破碎的模拟范围，在模拟需要用多因素判定破碎模型（Multifactoreffected breakup，MEB）。而对于不同破碎形式的两条分界曲线为15Rex1=0.125We2x1+5.75 3 Wex1 15（7）Rex2=0.43We2x2 7 Wex257.7 时判定有飞溅存在。水滴飞溅的质量损失率可表示为17msm0=0.7(1-sin 0)(1-e-0.009 2(Kctr-200)（11）266第 2 期王小辉，等：面向过冷大水滴适航验证的结冰探测技术研究式中：m0为水滴总质量；ms为碰撞时引起水滴损失的质量；0为入射方向与壁面切向角；Kctr为引起水滴飞溅的临界值。当水滴运动方向与撞击面相垂直时，即0=/2，不会引起水滴质量的损失。水滴撞击过程除了水滴飞溅引起水滴质量损失外，还引起了壁面的水层动量改变。将展布过程模拟为对壁面附近水层动量的增加。水层动量增加量的控制方程为18Mf=Mdropletupcos 0（12）式中：Mf为液滴的动量增量；Mdroplet为液滴质量；up为液滴碰撞速度的法向分量。1.3计算方法与流程本文使用 FLUENT 软件对翼型周围流场进行模拟计算。采用 Lagrange 计算方法，捕获与求解每个水滴的运动特性。在此计算过程中，通过加入 UDF 函数来实现对 SLD 变形破碎与飞溅过程的模拟和控制。根据水滴直径、飞行速度和当地流场数据等信息对水滴的动力学状态进行判断。当水滴的变形度 y1时，水滴将破碎，此时计算水滴破碎时间、位置等信息，求解出水滴破碎产生的子水滴数量。子水滴产生后将作为新水滴重新开始变形破碎过程的计算。当水滴碰撞到壁面后发生飞溅时，根据其碰撞速度和角度等参数信息计算飞溅损失量、壁面水层的动量增加量。将这些影响量进行统计之后传递给壁面水收集率和水层动量进行修正。其中水滴的质量减去飞溅损失量为当前壁面网格的水收集量。1.4模型验证图 1 给出了本文计算结果与文献 19 中给出的 冰 风 洞 实 验 结 果 的 对 比。计 算 模 型 为 NACA00