大尺度过冷水滴动力学特性的实验研究

Supercooled large droplet icing is a serious hazard to flight safety. The plan of study on droplet impact dynamic characteristics is put forward to reveal common rule and essential features of SLD icing. Experimental, theoretical and computational methods are applied to study the dynamics behaviors involving droplet distortion, breakup and splash during the ice accretion. By means of the basis theory such as gas dynamics, computer graphics, dimension analysis and high speed microscope photography, the dynamics behaviors and characteristics of SLD impacting solid surface are studied. The preliminary criterion and quantitative description method of droplet distortion, breakup and splash are based on dimensionless analysis method. SLD impact dynamic characteristics data base is set up. The investigation will not only provide the theoretical basis for the improvement of present icing computational model and illustrate formation mechanism of SLD icing, but also provide the technical support for the development of SLD icing study method.

本课题针对大尺度过冷水滴（SLD）结冰这种严重危害飞行安全的现象，提出了研究SLD条件下水滴撞击动力学特性以揭示该类结冰的共同规律和本质特征的设想。采用实验、理论分析和计算相结合的手段，针对该类结冰过程所涉及的水滴变形、破碎和飞溅等动力学行为，基于气体动力学、计算机图形学、量纲分析方法等基本理论和高速显微摄像实验技术，对SLD撞击壁面的动力学特性进行研究，建立基于无量纲分析的水滴变形、破碎和飞溅的初步判则和定量描述方法，建立SLD动力学行为特征数据库，为完善SLD撞击模型，阐明SLD结冰的形成机制，发展SLD结冰研究方法、改进现有结冰计算模型提供理论依据和技术支撑。

过冷大水滴结冰是目前飞机结冰领域研究的热点与难点。过冷大水滴结冰环境的特点是水滴平均直径大、分布广，液态水含量大，结冰环境温度较高。由于水滴直径较大，过冷大水滴在运动、撞击飞机表面时存在显著的动力学现象，例如在强气动力作用下会发生变形、破碎现象；在撞击固壁或液膜时可能发生铺展、飞溅等现象；结冰环境温度较高会导致水滴撞击后不会立刻冻结；多数情况会形成液态水膜并在气流驱动下沿固壁流动过程中逐渐冻结。由此导致过冷大水滴结冰的范围广、结冰量大、冰形不规则，飞溅子水滴的二次撞击结冰位置靠后容易形成冰瘤或冰脊， 这往往超出了飞机防除保护的范围，对飞行安全构成了严重威胁。本项目开展前，我国针对过冷大水滴结冰的研究尚处于起步阶段，数值模拟的大部分数学模型尚不够完善，实验研究十分匮乏，远落后于国外先进水平。针对这一现象，本项目设计搭建了过冷大水滴动力学特性实验平台，利用高速摄影技术开展了水滴变形、破碎和飞溅等动力学特性实验研究。. 项目首先搭建了水滴动力学特性实验系统。设计研制了压电式等径离散水滴发生器和点滴器两套水滴发生系统，分析了水滴的产生机理与直径的控制方法。.在此基础上开展了水滴变形及其对阻力特性影响研究和水滴碰撞飞溅研究；在不同试验条件下开展了SLD变形破碎实验，获得了水滴变形4个典型形态和水滴阻力系数随水滴We数、Bo数的变化规律，获得了水滴变形率、水滴临界变形率、阻力系数的温度敏感性，建立了水滴阻力系数计算模型；在光滑干燥表面开展了的SLD碰撞对比实验，分析了碰撞速度、角度、温度对大水滴碰撞特性（水滴最大铺展范围、收缩范围、滑移距离）的影响规律，构建了水滴最大铺展范围模型和SLD滑移模型；在粗糙表面和水膜表面上开展了的SLD碰撞实验，获得了表面粗糙度对水滴碰撞飞溅的影响规律，建立了水滴飞溅角度与表面粗糙度的相关关系数学模型。. 本项目的顺利实施提高了对水滴动力学的科学认识，为SLD结冰计算的发展提供了模型基础。