不同触发条件下过冷水结冰现象研究.doc

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1、abstract我是目录1.研究背景1.1民航中的过冷态下大粒径水滴结冰问题近年来，随着我国经济实力的增强，我国的航空工业发展迅速，继而带动了我国民航产业的快速发展。在这个过程中，飞机在飞行中存在的安全问题，尤其是我国正在努力攻关的大飞机在飞行中存在的安全问题受到了越来越多的关注，而机翼结冰就是大飞机飞行中的众多安全隐患之一。机翼前缘的结冰会恶化飞机的气动特性，得阻力增大升力减小，影响飞机的稳定性和操纵性，严重时会导致空难发生，这是国内外都有的经验。在1994年10月，美国美鹰航空公司的4184号开往芝加哥的一架ATR72班机在着陆盘旋时因为机身结冰导致飞机失速

2、并且最终坠毁，机上人员无一生还。2002年12月，我国复兴航空公司791号班机在飞往香港的途中也因为结冰问题导致坠毁在澎湖外海，值得注意的是，这架坠毁的飞机同样是一架ATR72。这些事故提醒我们，飞机的设计中必须要考虑飞机的飞行结冰问题。飞机在飞行中所撞击到的小液滴往往处在过冷状态，也就是低于0摄氏度却没有结冰的状态。在现在的适航条例中，已经有一定的对飞机的设计者提出了机型能够承受过冷态水撞击导致的可能的结冰而不发生安全时间的相关要求。值得注意的是，这些要求所涉及的过冷液滴的粒径均在50微米以下，没有对粒径在50微米以上的过冷水滴进行任何指标上的规定，然而大气中

3、的过冷水滴往往粒径很大，大多数在100微米到1000微米之间。因此，研究影响粒径在50mm以上的过冷水滴的结冰的热动力学条件，对于将来提出飞机在设计中所要注意的有关飞行结冰的适航要求，是具有很重要的意义的。1.2国内外研究现状在国内，研究学者们在机翼上过冷水滴造成的积冰对飞机飞行性能影响方面做出一些努力，并得到了一些结论。但是，国内学者们在这方面所写的文献讨论的对象大多是过冷水滴，而没有涉及当前较为重视的大粒径过冷水滴（SLD）。实际上，由于国内在这方面研究工作起步相对较晚，并且研究资源相对较少，对于大粒径过冷水滴所引起的飞机积冰问题的研究并不多，对成冰机理的研

4、究甚至上是基本空白。在国外，一方面，伴随着FAA召开的98年会议，世界各国都表现出极大的兴趣，尤其是美国、英国和加拿大。他们组织力量发展自己在防除冰问题上的研究能力，尤其是在SLD方面。而且他们在SLD方面的研究重心是水滴飞溅问题。他们主要从图像技术等方面刻画SLD入射到水膜后整个溅射过程，并分析溅射轨迹，这就要求在实验装置中装有冰风洞。英国的CranfieldUniversity在这个研究方面有很好的实验条件（图1.1）。图1.1CranfieldUniversity冰风洞另一方面，美国NASA有一个GlennIcingResearchTunnel（IRT）（

5、图1.2），在实验进行过程中，不断得到有关于SLD特性研究的成果。图1.2GlennIcingResearchTunnel（IRT）针对过冷水滴的研究项目，国内外不论是在着手实验方面还是在从事数值模拟方面都花费了巨大的研究力量，并取得了较为满意的结果。但限制于当时的认识水平，研究工作被局限于粒径在50微米以下的情况，而且研究欠全面，故仍不能为确保飞机飞行安全提供很有力的帮助。并且由于目前国际上的研究难以准确描述SLD结冰过程，所以SLD结冰问题已经成为阻碍飞机发展的一个瓶颈。尤其是在ATR72事故的发生以后，SLD问题研究变得越来越重要，同时也是越来越困难。因此

6、，对于SLD的研究必不可少的，尤其是对于结冰机理的研究更是如此。2.研究设备与实验方法2.1设备与方法总述我们使用了上海交通大学航空航天学院冰风洞实验室的冰风洞设备，在冰风洞研究员李海星的指导与帮助下相对独立地制作了过冷水滴发生器，并且作为小组独立提出了液滴粒径及冰型几何尺寸的数据采集技术，受到了研究员的肯定。所有本研究项目中的相关设备均来自上海交通大学航空航天学院，所有的数据采集工作也在上海交通大学航空航天学院冰风洞实验室完成。2.2设备与环境2.1.1冰风洞下图是我们使用的冰风洞的简图。这是一个循环式吸气式风洞，冷库串联在气体循环之中。压机连到一个数字控制箱

7、上，可以通过该控制箱来调节压机功率使冷库的温度降低到需要的温度。图2.1冰风洞示意图发生器产生粒径在一定切可控范围内的水滴，水滴被气流加速，撞击到试验段的铝制试验件上，用高速摄像机对整个过程进行拍摄，由于拍摄帧数高，光圈小，必须使用用高能照明灯为摄像提供光源。拍摄的数据通过数据线实时连接到计算机上，并实时进行处理。2.1.2过冷水滴发生器水滴发生器主体为一个有机玻璃材质的扁平腔体，在该腔体上附有一个压电陶瓷片，通过给该压电陶瓷片适当的方波信号，可以控制喷出水滴的粒径及形态。具体的来说，腔体的主体由三层有机玻璃板通过氯仿粘合在一起。下图给出了三层玻璃片的形状。从左

8、至右分别为从上至下的粘合