绕轴旋转圆柱结冰特性结冰风洞试验.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252017Vol38No2SSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：#hkxbbuaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．ca绕轴旋转圆柱结冰特性结冰风洞试验李岩1’*，王绍龙1，易贤2，周志宏2，郭龙21．东北农业大学工程学院，哈尔滨1500302．中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点试验室，绵阳621000摘要：绕轴旋转物体结冰是一种常见的结冰现象，如风力机叶片和直升机旋翼结冰等。针对该旋转模型的结冰问题，以绕

2、轴旋转圆柱为对象，进行了结冰风洞试验研究。试验在自行设计的利用自然低温的结冰风洞系统中完成。在对结冰风洞试验能力进行验证后，对具有不同直径、转速和结冰时间的旋转圆柱结冰进行了试验，建立了旋转圆柱的结冰分析与评价方法，分析了转速、圆柱直径、结冰时间等对圆柱结冰形状主要特征量的影响规律，包括结冰面积、无因次结冰面积、驻点厚度、无因次驻点厚度、驻点偏转角、无因次结冰上下极限等，获得了旋转圆柱的结冰特性。在此基础上，通过回归正交试验设计，构建了旋转圆柱结冰的预测模型，并进行了验证与分析。研究结果可为绕轴旋转物体结冰特性研究提供参考和借鉴

3、。关键词：结冰；旋转圆柱；结冰风洞试验；结冰特性；回归分析中图分类号：V211．73文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)02—5206931l旋转叶片在含有过冷水滴的气流中作业会发生覆冰现象，如风力机叶片结冰，直升机旋翼结冰等[1。2]。叶片结冰后会破坏其气动特性及载荷分布，轻则降低叶片的工作效率，重则引发安全事故[3巧]。与平动式叶片结冰相比，旋转叶片结冰研究相对较少，多是在平动式叶片结冰研究基础上的改进与优化。目前针对结冰研究的主要手段有3种：实际观测、数值模拟计算及结冰风洞试验，随着计算技术及冰风洞技术的

4、发展，数值模拟计算与结冰风洞试验逐渐成为了主要研究手段[6_8]。国外对三维绕轴旋转模型的结冰数值模拟计算较多，如商用结冰仿真软件LEWICE和FENSAP—ICE等均有三维旋转模型结冰计算模块[9。1⋯，国内也有三维结冰计算相关研究，如易贤等对水平轴风力机结冰进行三维计算[11。12]，以及关于直升机旋翼结冰数值计算口3。14]。对于绕轴旋转模型结冰风洞试验研究，Han等在美国宾夕法尼亚大学搭建了旋转叶片结冰试验系统[15I，该研究主要对不同工况下风力机叶片结冰冰形的外观进行描述，而未对结冰冰形进行参数化分析与预测。国内对绕轴

5、旋转模型的结冰风洞试验系统的构建与研究报道还较少。本研究通过自行设计的利用自然低温的结冰风洞系统对绕轴旋转圆柱进行结冰试验研究。首先对试验系统的试验能力进行验证；然后对具有不同直径、转速和结冰时间的旋转圆柱进行结冰试验并分析，获得结冰规律。在此基础上，利用正交试验设计方法得出旋转圆柱无因次结冰面积及无因次驻点厚度的预测方程，并进行验证与分析。收稿日期：2016—08—23；退修日期：2016—10—10；录用日期：2016—11—30；网络出版时间：2016—12—1416：29网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／de

6、tail／111929．V201612141629002．html基金项目：国家自然科学基金(51576037，11172314)；国家“973”计划(201508755800)*通讯作者E-mail：liyanneau@163com引用格武：李岩．壬绍龙，易贤．等绕轴旋转圆柱结冰特性结冰风洞试验iJj航空学报，2017，38(2)：520693LIY，WANGSL，YIX．eta

7、．Anicingwindtunneltestonicingcharacteristicsofcylinderrotatingaroundashaff

8、[Jj．ActaAeronauticaetAstronauticas’nica，2017，38(2)：520693。520693．1航空学报1试验设备与方法1．1试验设备试验在东北农业大学风能研究室自行设计的利用自然低温的结冰风洞系统中完成，如图1和图2所示口⋯。基础风洞为日本鸟取大学设计制造的开口射流风洞，在风洞的吹出口处安装水雾喷射系统提供结冰条件，在其后设置喷雾段、混合段和结冰试验段，试验段截面为0．6m×0．6m，风速范围为1～15m／s。冬季室外冷空气由冷风段吸入，与喷雾系统喷出的过冷水滴在混合段充分混合后作用于试验模

9、型上形成结冰。圆柱固定在试验台的旋转梁上，转轴后接调频电机用以控制圆柱绕轴的转速。调频电机位于气道外部不影响结冰，旋转部分位于气道内部。圆柱模型如图3所示，材质为铝制，直径d一20，30，40mm，高h一20mm。图1结冰风洞试验台[1cFig．1Icingwi