水平表面气流剪切作用下的水膜厚度.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb252017Vol38No2SSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．Ci3hkxb@buaaedu．cn水平表面气流剪切作用下的水膜厚度冷梦尧，常士楠*，丁亮，李晓峰北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083摘要：飞机结冰表面上的液态水受气流吹拂作用会发生向后溢流，从而影响结冰区域范围及防冰系统设计；为了获得水膜流动规律，对水平平板表面上气流剪切驱动的水膜流动进行了实

2、验测量和建模分析。通过水膜流动风洞试验台产生高速气流驱动水膜的流动，使用色散共焦位移计测量同一位置的水膜在不同时刻的厚度变化，结果表明气一液界面由底层薄水膜和多种尺度的波动组成，具有变化速度快随机性强的特点。通过水膜厚度随气流速度及水膜雷诺数的变化规律，发现平均水膜厚度与两者均呈现出单调非线性的依赖关系。基于薄水膜流动理论和平均水膜厚度实验结果，提出了高速气流剪切作用下的气一液波动界面剪切因子计算式，适用于风速17．8～52．2m／s，水膜雷诺数26～128之间的平板水膜流动计算。关键词：飞机防冰；两相

3、流；水膜厚度；界面剪切力；建模中图分类号：V211；0359．1文献标识码：A文章编号：i0006893(2017)0252069609当飞机穿过含有过冷水滴的云层时，其迎风表面会迅速覆盖积冰，严重威胁飞行安全。在不完全冻结或湿态防冰过程中，表面存留的液态水会在气流驱动下向后流动，改变飞机表面水的分布范围，形成冰角或溢流冰脊；水膜表面上的波动反过来会干扰气流边界层的流动，对结冰或防冰表面的热量及其分布造成影响。而水膜厚度方向上的导热对于结冰预测或防冰热流计算也是必不可少的一项。故研究飞机表面水膜流动对于

4、冰形模拟及防冰系统优化设计是十分有意义的。在理论和数值仿真方面，经典的Messinger模型[11首先在飞机结冰预测中考虑液态水的存在，但该模型假设当前控制体内未冻结的水即全部进入下一个控制体。Ai-Khaiil等[2]则通过对水膜的稳定性分析发展了防冰表面溢流模型。Myers和ThompsonL3。4J基于润滑近似理论建立水膜流动方程，提高了水膜模型的物理意义，随后该模型进一步被应用于结冰理论[5“]、防冰及溢流冰的模拟[7。83中。Fortin等[9]则根据机翼表面的近距离摄像观察结果，根据粗糙表面

5、换热模型研究液态水带来的影响。还有部分研究者专注于水膜表面波动的形成和发展[1”12]。然而这些模型大都是同宏观结果进行对比验证，对于水膜流动过程中的部分物理机制缺乏了解，导致预测结果仍有一定误差。近几年，随着实验观测技术的发展，研究飞机表面液态水流动机理的实验逐渐增多，例如加速流场中的水珠脱离临界条件口⋯，水珠受力情况及运动规律[1“，溪流厚度的空间特征研究[151等，这些实验结果完善了飞机表面水珠及溪流形态的液态水流动机制。关于连续性水膜的研究，Feo和Tsao[161为建立明冰缩比理论测量了驻点附

6、近的水膜厚度，并建立其同模型尺寸、液态水含量、水收稿日期：2016—08—23；退修日期：2016—09—18；录用日期：2016—10—25；网络出版时间：2016—10—2710：57网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V．201610271057002．html基金项目：国家“973”计划(201508755803)*通讯作者E—mail：SR—chang@buaaeducn引用格武：冷梦尧，常士楠．T亮，等水平表面气流剪切作角下的承膜殍度!J]航空学报．2

7、017．38(2)：520696iLENGMY．CHANGSN，DINGL，eta1．Thicknessofwaterfilmdrivenbygasstreamonhorizontalp，anefdJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSini—ca，2017。38(2)：520696520696．1航空学报滴直径以及风速之间的关系。Muzik等。1刊观察了水膜在翼型表面上的流动特征及破碎现象。Zhang等[181使用数字图像投影技术(DigitalIm—ageProjectio

8、n，DIP)测量了翼型表面的水膜厚度，得到水膜厚度约在10～1000／am之间，但未建立起有效的水膜厚度与外部条件之间的关系。本文针对高速气流驱动的水膜流动进行了测量，并根据实验数据建立起水膜流动方程。通过搭建特定的水膜观测实验台在平板表面产生连续性流动的水膜，使用色散共焦位移计记录一段时间内水膜厚度的时域信号，分析水膜形态随风速及水流量的变化规律。根据平均水膜厚度实验结果，结合由Myers模型推导的水平稳态膜厚计算式，拟合出气一液波动界面