發(fā)動機結(jié)冰霧化參數(shù)測試方法

航空發(fā)動機進氣道結(jié)冰是危及飛行安全的嚴重問題，結(jié)冰試驗是驗證數(shù)值仿真得到的結(jié)冰特性以及防冰系統(tǒng)性能的主要手段，而結(jié)冰霧化參數(shù)測試則是結(jié)冰試驗的基礎，其重要性不言而喻。在《航空發(fā)動機適航規(guī)定》（CCAR-33）、《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25）和《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB241A）中，對發(fā)動機的結(jié)冰條件、結(jié)冰試驗內(nèi)容及防冰系統(tǒng)的驗證提出了明確的要求，因此需要進行發(fā)動機結(jié)冰試驗，通過制冷、噴霧等系統(tǒng)模擬不同結(jié)冰類型和結(jié)冰程度，以驗證所設計防除冰系統(tǒng)的有效性。發(fā)動機進氣截面處的液態(tài)水含量、平均有效水滴直徑是影響結(jié)冰類型和程度的主要霧化參數(shù)，也是評價結(jié)冰條件是否滿足標準規(guī)范要求的重要指標。因此，準確有效地測量液態(tài)水含量、平均有效水滴直徑，研究各種測試方法以及影響其測量準確度的因素，對確保結(jié)冰試驗結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。液態(tài)水含量測試方法液態(tài)水含量（LWC）是指單位體積的空氣中所含有的液態(tài)水的質(zhì)量，在結(jié)冰研究中的單位為g/m3。液態(tài)水含量越大，單位時間內(nèi)撞擊在發(fā)動機表面的水量越多，則結(jié)冰越嚴重。液態(tài)水含量主要影響結(jié)冰類型和結(jié)冰形狀。LWC的測量方法主要有冰刀法、熱線法、超聲波法等。其中，熱線法和超聲波法需要專門的測量系統(tǒng)，測量準確、快速，但成本相對較高；冰刀法測量方法及裝置簡單，但總體效率較低，主要用于測量結(jié)果間的對比驗證。冰刀法冰刀法常用的測量裝置是冰刀，如圖1所示，其原理是將冰刀置于發(fā)動機測量段中，一段時間后，工作面就會生長一定量的冰，通過分析冰刀上結(jié)冰厚度和結(jié)冰時間等參數(shù)計算LWC。冰刀法的優(yōu)點是簡單快捷、成本低，缺點是未考慮結(jié)冰過程中液態(tài)水蒸發(fā)的影響，因為冰刀法測量液態(tài)水含量是假設撞擊在冰刀工作面的過冷水滴全部凍結(jié)，即收集系數(shù)為1，而實際的水滴收集系數(shù)總是小于1，所以這種方法測得的液態(tài)水含量會有誤差，而且溫度越高，蒸發(fā)量越多，誤差也越大。圖1

冰刀裝置示意熱線法熱線法分為恒溫式和恒壓式。恒溫式是水滴撞在熱線上被加熱蒸發(fā)帶走熱量，系統(tǒng)需消耗額外的功率來維持線圈在恒定的溫度上，所消耗的額外功率與液態(tài)水含量成正比，通過實時測量系統(tǒng)功率的增加值即可得到LWC。恒壓式是水滴撞在熱線上使熱線溫度降低，電阻值減小，電橋平衡被打破從而產(chǎn)生的電壓差，電壓差與液態(tài)水含量成正比，通過實時測量電橋輸出電壓可以計算LWC。熱線法常用的測量設備主要有：美國DMT公司的LWC-300Probe，如圖2（a）所示，測量范圍為0～3g/m3，測量精度為±10%；加拿大天空物理技術(shù)（SkyPhysTech）公司的Nevzorov4Probe，如圖2（b）所示，液態(tài)水含量測量范圍和精度與LWC-300相同，同時它還有LWC-300不具備的總水含量測量探頭，總水含量（TWC）減去液態(tài)水含量即可實現(xiàn)冰晶含量（IWC）的測量，這對飛機防除冰技術(shù)的研究是非常重要的；美國SEA公司的WCM-2000Probe，如圖2（c）所示，也可以實現(xiàn)總水含量的測量，在風速低于150m/s時，液態(tài)水含量測量范圍可達10g/m3，當風速小于230m/s時測量范圍為0～6g/m3。以上幾種測量設備都是恒溫式裝置。圖2

3種常用的恒溫式熱線儀探頭熱線法原理簡單，裝置小巧，安裝方便，能夠測量直徑在5μm以上的水滴。在熱線裝置固定的情況下，電流的增加值與熱線散熱量相關(guān)，散熱量除了跟撞擊在熱線上的水滴蒸發(fā)帶走的熱量有關(guān)外，還受環(huán)境溫度、氣流速度影響，所以為了測量結(jié)果的準確性，熱線法適用于環(huán)境溫度和風速都相對固定的氣流中。超聲波法超聲波法是將超聲波發(fā)射器和接收感應器垂直于氣流安置。當超聲波通過含有水滴的氣流時，波的強度會因水滴的散射和吸收而減弱，通過分析接收感應器接收到的波振幅和頻率特性，可以計算出LWC。由于超聲波法和氣流速度有關(guān)，所以也不適合風速比較不穩(wěn)定的場合，而且該方法目前還處于研究階段，暫時沒有貨架商品供使用。液態(tài)水含量測試方法存在的問題發(fā)動機結(jié)冰霧化參數(shù)測試中，液態(tài)水含量的測量多采用冰刀法和熱線法。冰刀法一般為非標定制或自研，測量方法簡單、成本低廉，但測量效率低，且測量范圍受限，無法測量高液態(tài)水含量；熱線法是采用成熟的LWC/TWC測量系統(tǒng)，裝置簡單、響應速度快，但成本較高且易受環(huán)境影響，下一步的研究方向應是如何消除環(huán)境溫度和氣流速度帶來的誤差。平均有效水滴直徑測試方法平均有效水滴直徑（MVD）是指大于該直徑的水滴總體積等于小于該直徑的水滴總體積。MVD直接影響結(jié)冰區(qū)域：粒徑過大，在運動過程中冷卻不充分，不能形成過冷水滴，且相互碰撞的概率增大；粒徑過小，在運動過程中可能產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，在高風速時可能會繞流，不能與發(fā)動機發(fā)生碰撞。MVD的測量方法主要有前向散射分光測量儀、光學陣列測量儀、相位多普勒粒子分析儀及光纖光學測量系統(tǒng)。這4種方法均為光學測量法，其中前兩種為接觸性光學測量，可直接放置于發(fā)動機測量段氣流中；后兩種為非接觸光學測量，通過測量段的觀察窗進行測量。前向散射分光測量儀前向散射分光測量儀（FSSP）是美國粒子度量（ParticleMetrics）公司研制的一種光學粒徑測量儀，其原理為當粒子通過FSSP激光束時會發(fā)生散射，通過測量散射光的強度可以計算出粒子的直徑，測量范圍為直徑1～45μm或1～95μm。影響FSSP測量精度的因素主要有水滴數(shù)量密度和速度，數(shù)量密度的上限取決于探頭體積和儀器的電子電路速度，極限是500個/cm3。速度的上限取決于儀器本身電子電路的極限，水滴速度超過極限也會產(chǎn)生粒徑測量誤差。其他影響因素還有校準誤差、激光束激發(fā)誤差等。FSSP特點是響應快、分辨率高，但測量范圍有一定局限且物理尺寸較大，測量精度易受系統(tǒng)誤差影響，如儀器狀態(tài)、結(jié)冰或霧的影響等。光學陣列測量儀光學陣列測量儀（OAP）也是由美國粒子度量公司制造，其測量范圍廣且型號多，能夠測量小到10μm大到幾毫米的水滴。該測量儀的原理是當水滴通過OAP的激光束時，光學陣列探測器中的光電二極管能探測到水滴穿過陣列的陰影。OAP有一維和二維兩種類型：一維OAP探測到的陰影長度對應的就是水滴的直徑，每隔一定區(qū)間記錄一次陰影數(shù)目，根據(jù)水滴尺寸分布即可計算出MVD；二維OAP還能提供水滴圖像，可用于區(qū)分水滴和冰晶。影響OAP測量精度的因素主要有：計數(shù)誤差、焦外小水滴造成的小水滴尺寸譜變寬、高數(shù)量密度導致的重合誤差、速度誤差和統(tǒng)計不確定度等。OAP常用于測量直徑大于100μm的小水滴。其特點是測量過程簡單，響應快、分辨率高，但物理尺寸較大，安裝復雜，且測量結(jié)果易受系統(tǒng)誤差和結(jié)冰的影響。相位多普勒粒子分析儀相位多普勒粒子分析儀（PDPA）是根據(jù)運動粒子的光散射效應，實現(xiàn)粒子直徑和速度的同時測量。其原理是粒子穿過兩束激光的相交處產(chǎn)生散射光，因散射光到接收平面所經(jīng)過的光路長短不同，符合相干條件，形成干涉條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器和信號處理器處理后輸出的信號頻率正比于流體的速度，而不同信號間的相位差正比于粒子的直徑。結(jié)冰試驗時的發(fā)動機進氣為兩相流介質(zhì)，根據(jù)所測得的粒子大小與速度的對應關(guān)系可以獲得兩相速度。PDPA安裝在發(fā)動機測量段外，通過觀察窗進行測量，優(yōu)點是測量精度高，動態(tài)響應快、測速范圍廣，配合位移坐標架可實現(xiàn)空間三維方向測量，適用于兩相流介質(zhì)，較適合發(fā)動機結(jié)冰試驗粒徑的測量。不足之處在于對觀察窗玻璃的光學特性要求較高，且低溫狀態(tài)下長時間工作會導致玻璃結(jié)霜，影響測量結(jié)果的準確性。此外，因PDPA測粒徑假設小水滴是圓形的，所以小水滴的圓度將直接影響PDPA測量精度。光纖光學測量系統(tǒng)光纖光學測量系統(tǒng)（FOS）是近些年的研究熱點，目前實際應用到結(jié)冰試驗的還不多，光纖測量法的特點是測量裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、防水性好、測量精度高，且非常適合復雜條件下的結(jié)冰試驗。平均有效水滴直徑測試方法存在的問題在平均有效水滴直徑的測試中，PDPA應用最為廣泛，它可以精確、快速測量兩相流介質(zhì)中小尺寸球形粒子的直徑和速度，但對于大尺寸的非球形粒子存在顯著測量誤差。此外，非接觸法測粒徑的光學窗口設計的問題也有待解決。發(fā)動機結(jié)冰試驗通過吸氣方式實現(xiàn)水霧的吸入，從而模擬結(jié)冰的效果。吸入式的方式要求測量窗口必須安裝玻璃。由于測量段是圓筒形狀，兩面如果都是平面玻璃會導致測量段內(nèi)部嚴重積水甚至結(jié)冰，因此測量窗口應至少有一面為弧形玻璃。石英光學玻璃透光率好但抗振性差且無法彎曲，有機玻璃可做到較大尺寸且在一定厚度下可以彎曲，但透光性不如石英光學玻璃。所以，發(fā)動機結(jié)冰試驗中測量段的開窗方案以及窗口玻璃的選擇仍需進一步研究。結(jié)束語在液態(tài)水含量測量方面，SEA公司的WCM-2000是基于多熱線的總水含量測量系統(tǒng)，其對高水含量云霧條件以及過冷大水滴結(jié)冰條件下的液態(tài)水含量測量具有極大潛力，因此針對該設備的測量方法研