0   引言

1994年10月31日，一架ATR72飞机在美国印第安纳州Roselwan附近坠毁^[1]。事故调查报告显示，该机在约10 000英尺的高度，经历了约32min的结冰飞行，该机穿越的云层除包含典型的云雾颗粒外，还含有100μm~2000μm范围的超大过冷水滴^[2]。在这种含有超大过冷水滴的结冰环境中，过冷水滴会撞击翼面并沿翼面向下游运动，在机翼表面形成皱状的冰型，翼面上结冰的位置会远远超过一般云雾结冰条件的约20%的弦长位置。由于过冷大水滴结冰条件具有更高的结冰速率及水滴收集效率，结冰位置也更靠后，因此对飞机的升、阻力特性及失速特性有严重影响，同时还降低了防/除冰装置的效率，对飞机防冰装置的设计带来重大的影响^[3-4]。

正是由于SLD(过冷大水滴)结冰条件对飞行安全带来的重大影响，FAA(联邦航空管理局)于2014年11月正式发布了飞机和发动机在过冷大水滴条件下的适航要求，同时增加了附录O，以定义新的结冰气象条件，并将此作为对CFR(联邦管理条例代码)14-25部附录C所规定的云雾结冰条件的补充^[5-6]。

随着新的适航条件的发布以及对SLD结冰条件下飞行器结冰状态及防/除冰装置的研究重要性的日益显现，对SLD结冰条件的分析和试验验证方法也提出了新的挑战。数值模拟和结冰风洞实验是验证结冰条件下飞行器气动性能及防除冰装置效果的重要手段。其中，结冰风洞通过在回路中配置喷雾系统、制冷系统及高度模拟系统等，可以较真实的模拟在各种温度、高度及飞行速度条件下的结冰条件，模拟的主要参数包括水滴中位体积直径(MVD)及液态水含量(LWC)^[7-11]，并要求上述模拟参数能基本涵盖适航条件所规定的结冰气象条件。根据NASA(美国国家航空航天局)对现有的验证手段的比较，对于四大类、14小类，56种SLD结冰条件下的结冰问题，目前，数值模拟能解决约20种问题，能解决但受到条件限制的约16种，不能解决的有20种；结冰风洞试验能解决的问题有25种，能解决但受条件限制的有11种，暂不能解决的有20种，且结冰风洞不能解决的SLD结冰问题中，冻雨条件占了80%^[12]。

目前，结冰风洞试验对于解决三维结冰冰型预测、验证防除冰装置效果、验证数值模拟结果的准确性等方面发挥着不可替代的作用^[11-14]。但对于SLD结冰条件的模拟，特别是对于冻雨条件的模拟，结冰风洞还存在着模拟能力缺失或不足、运行包线有待扩展等问题。因此，对现有的结冰风洞的SLD结冰模拟能力进行评估，并通过改造拓展其模拟能力是目前世界上几个主要结冰风洞研究机构的重要研究方向。

本文通过对SLD结冰条件及国内外结冰风洞研究机构在过冷大水滴结冰条件研究中取得的主要成果进行研究，提出了气动中心在发展过冷大水滴结冰试验能力过程中所面临的关键技术及解决措施。

1   过冷大水滴结冰条件分析

在云层中，一旦出现过冷大水滴，那么其应该是与作为主体的云雾一起共存的。在云层与地面之间，一旦云雾粒子出现，则会趋向于合并成大颗粒或在到达地面之前蒸发掉，因此在云层之下的云雾粒子要少得多。CFR14-25部附录O所定义的过冷大水滴包含了所有最大颗粒大于100μm的结冰气象条件；CFR14-25部附录C所定义的云雾结冰条件中的水滴颗粒是小于100μm的。这两个条件结合起来，定义了包含SLD在内的几乎所有结冰环境。描述SLD结冰条件的参数包括：温度、压力(高度)、LWC、MVD、颗粒度分布特性及水平结冰距离。

防冰协调工作组(IPHWG)基于FAA和EC/NASA获得的2444条过冷大水滴实际飞行测量数据，根据水滴的形成机理及颗粒粒径范围，将过冷大水滴结冰条件分为冻毛毛雨(FZDZ)状态及冻雨(FZRA)状态，如表 1所示，图 1给出了四种状态下的累积质量-粒径颗粒度分布特性。D_max小于500μm的为冻毛毛雨状态，D_max大于500μm的为冻雨状态，500μm是气象学上区分毛毛雨和雨的界限。这两种情况又可以进一步各自被分成两种状态：MVD小于或大于40微米的状态。

表  1  附录O中对SLD状态的定义

Table  1  Definition of SLD condition in Appendix O

状态	MVD范围/μm	Dmax范围/μm	MVD/μm	Dmax/μm	Max LWC/(g·m-3)
FZDZ	＜40	100~500	20	389	0.44
FZDZ	＞40	100~500	110	474	0.27
FZRA	＜40	＞500	19	1553	0.31
FZRA	＞40	＞500	526	2229	0.26

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图  1  附录O中的SLD条件滴谱

Fig.  1  Drop spectra of SLD condition in Appendix O

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FZDZ和FZRA条件中，在MVD小于40μm的状态下，颗粒分布特性中，10~20μm的颗粒占据主导地位；FZDZ条件中，在MVD大于40μm状态下，颗粒分布中，200~300μm的颗粒占据主导地位；FZRA条件中，在MVD大于40μm状态下，颗粒分布中，700~800μm的颗粒占据主导地位。

不同状态的SLD颗粒的形成机理有经典的，如融化和再过冷；也有非经典的，如冷凝及碰撞-聚合机理。对于FZDZ，88%的状态来自于非经典机理；对于FZRA，92%的状态来自于经典机理^[2]。这表明，FZDZ条件和FZRA条件在形成机理上有根本的不同。平均颗粒分布特性曲线和独立数据曲线表明，四种状态具有很强的独立性，因此能共同覆盖SLD环境。

SLD结冰条件中，四种状态独立的颗粒度分布特性对在结冰风洞中模拟SLD结冰条件提出了挑战：即SLD的模拟条件并不像云雾结冰条件那样，只需要满足MVD相同即可，而是需要在很宽的范围内，使得试验段内的水滴颗粒度分布尽量这四条滴谱曲线相吻合。四种SLD结冰条件的粒径-质量分布特性表现出显著的“双峰”特性，如图 2所示。这就对在结冰风洞中使用雾化喷嘴模拟颗粒分布的状态提出了特殊的要求。

图  2  附录O中SLD的粒径-质量分布特性

Fig.  2  Diameter-mass distribution of SLD condition in Appendix O

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2   结冰风洞SLD模拟能力发展状况

目前世界上有大大小小的结冰风洞数十座，受限于风洞的尺寸及用途，目前具备或正在发展SLD结冰模拟能力的典型的风洞设备主要有：美国NASA兰利中心的结冰研究风洞(IRT)、意大利航天研究中心(CIRA)的结冰风洞(IWT)及加拿大国家研究委员会NRC的高度模拟结冰风洞(AIWT)以及中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的结冰风洞。此外还有一些尺度较小的结冰风洞也具备部分FZDZ结冰条件模拟的潜力。

2.1   NASA兰利结冰研究风洞

IRT是一座用回流式结冰风洞。试验段尺寸为2.7m(宽)×1.8m(高)×6.1m(长)，气流温度-40℃~20℃，最高风速约179m/s。该风洞于1999年对换热器进行了改造，于2006年对喷雾系统及喷雾排架、喷嘴进行了改造和更换。通过在喷雾排架上安装标准型及Mod1型两种不同型号的空气雾化喷嘴，并通过降低Mod1型喷嘴工作气压的方法，使得该风洞具备了SLD结冰条件的模拟能力^[15-18]。图 3给出了该风洞的平面布局。

图  3  NASA IRT布局图

Fig.  3  NASA IRT layout

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2012年及2014年的风洞云雾场校测结果表明，该风洞在使用标准型喷嘴时，能较全面的模拟附录C所给出的云雾条件，仅对极低的LWC条件的模拟还有一定的困难。试验段的LWC均匀性可达到±10%以内。

IRT使用一种喷嘴，即Mod1型喷嘴来实现对SLD结冰条件的模拟。在MVD的模拟能力方面，目前最高可以模拟MVD=230μm的状态，但由于颗粒度测量设备的粒径测量范围、风洞尺度对水滴过冷度的影响等因素的制约，该风洞实际只能模拟FZDZ结冰条件的状态。此外，由于只使用了一种喷嘴，该风洞试验段的液滴颗粒度分布不能精确模拟附录O所要求的颗粒度分布特性，而仅能满足MVD和D_max的模拟要求。图 4给出了该风洞在2014年校测试验中获得的FZDZ颗粒度分布特性与附录O的比较。

图  4  IRT的FZDZ条件颗粒度分布特性

Fig.  4  Droplet distribution in IRT for FZDZ conditions

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2.2   意大利CIRA结冰风洞

2002年建成的意大利航天研究中心结冰风洞IWT是一座回流式结冰风洞，拥有三个可更换的试验段。该风洞具备0~7000m的高度模拟能力。该风洞用了4年的时间完成了云雾结冰条件的调试及校测工作，云雾模拟能力能完全覆盖附录C所确定的包线要求^[19]。

在IWT发展的初期，该风洞就提出了对大粒径状态的模拟要求，要求能模拟MVD=50~300μm的结冰条件。随着SLD结冰条件的不断明确，该风洞开始针对SLD结冰条件的模拟展开研究，至2012年，该风洞初步具备了FZDZ结冰条件、最大MVD约为200μm、最大LWC为0.8g/m³的模拟能力，如图 5所示。

图  5  CIRA IWT的SLD模拟能力包线(v=60m/s)

Fig.  5  SLD envelope of CIRA IWT (v=60m/s)

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值得一提的是，在对喷雾系统的改造过程中，该风洞对原有的大粒径喷嘴进行了改进，降低了水流量，并采用小颗粒和大颗粒喷嘴组合喷射的形式，通过调整两型喷嘴的开启数量比，在试验段形成具有双峰分布特性的过冷大水滴颗粒群。通过结合相位多普勒干涉仪(PDI)、Marlven粒度仪、光学阵列测量仪(OAP)等颗粒度测量设备，对试验段的颗粒度分布特性进行了测量。测量结果表明，采用组合喷射的方法，能很好地改善3~80μm区间内的颗粒度分布特性，整体的颗粒度分布特性更加趋近于附录O所确定的滴谱曲线。

2.3   NRC结冰风洞AIWT

隶属于加拿大国家研究委员会的AIWT结冰风洞是一座竖回流的小型结冰风洞。试验段截面尺寸为0.55m×0.57m，最高风速约180m/s，风洞具备0-9100m的高度模拟能力^[20]。

该风洞采用两套喷嘴系统来实现对SLD结冰条件的模拟，小粒径喷嘴和大粒径喷嘴各有一套独立的供水、供气系统。在SLD结冰条件模拟能力的发展过程中，该风洞研究人员首先使用计算的方法，模拟了两种呈LangmulrD分布的喷嘴联合喷射所得到的颗粒度分布特性，并与附录O的曲线进行比较，得到了非常逼近于附录O曲线的计算结果。在计算结果的基础上，在风洞中进行了组合喷射的验证工作。通过比对Marlven粒度仪的测量结果与附录O的曲线，通过不断调节喷嘴的供水、供气压力，较好的实现了与FZDZ条件的相吻合双峰分布特性，如图 6所示。

图  6  NRC结冰风洞FZDZ条件的模拟及风洞测试结果

Fig.  6  FZDZ simulation and calibration results in NRC icing wind tunnel

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但受限于大粒径喷嘴所能产生的最大的水滴颗粒直径，与FZRA条件的吻合程度较差。此外，由于风洞尺寸较小，大颗粒不能完全过冷，因此，在该风洞中去模拟FZRA条件也是没有意义的。

2.4   其他国外结冰风洞

Cox结冰风洞是一座回流式结冰风洞，试验段截面尺寸为0.71m×1.17m，受限于风洞的尺寸，该风洞仅发展了云雾结冰模拟的能力。该风洞在2008年的改造后，具备了混合冰晶云雾结冰条件的模拟能力，该风洞具备发展FZDZ结冰模拟条件的潜力。Goodrich结冰风洞是一座试验段截面尺寸为0.55m×1.1m的回流式结冰风洞，该风洞使用跟兰利中心结冰研究风洞同样的喷嘴，同样具备发展FZDZ结冰模拟条件的潜力。此外，欧洲的Braunschweig结冰风洞也发展了混合冰晶云雾结冰模拟能力，并且正在进行SLD结冰条件中FZDZ条件的能力拓展^[21-24]。

2.5   CARDC结冰风洞

中国空气动力研究与发展中心结冰风洞是一座回流式亚声速结冰风洞。该风洞拥有三个可更换的试验段，其中主试验段截面尺寸为3m(宽)×2m(高)，试验段最高风速为210m/s，模拟高度0-20000m，温度范围-40℃~常温。该风洞目前已经具备了结冰云雾模拟的能力，云雾颗粒MVD模拟范围为10~50μm，液态水含量范围为0.2~3g/m³。

该风洞在设计之初即提出了最高MVD为300μm的过冷大水滴模拟能力的要求。在发展过程中，对喷嘴进行了研制，获得了最高MVD为150μm、具有单峰分布特性的大粒径喷嘴，但距离SLD结冰条件所需要的大颗粒水滴的MVD要求还有很大的差距；采用数值模拟的方法对大水滴在试验段内的覆盖范围、过冷度及液态水含量的均匀性进行了模拟^{[10-11, 25]}。图 7给出了过冷大水滴条件下风洞试验段内的液态水含量均匀性模拟结果。上述模拟所采用的颗粒尺度、喷嘴雾化特性等离真实的模拟条件还有较大的差距。随着SLD结冰条件适航标准的颁布，原有的技术要求、研究成果等已不能满足该风洞在发展SLD模拟能力方面的需求。

图  7  CARDC结冰风洞过冷大水滴分布均匀性模拟结果

Fig.  7  SLD uniformity of CARDC icing wind tunnel

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3   面临的问题及解决方法

在结冰风洞中，可以通过调节喷嘴的水流量、风洞内的压力及温度、风速、运行时间等条件，来实现SLD结冰模拟中对LWC、高度及水平积冰距离等条件的模拟。气动中心结冰风洞发展SLD结冰模拟能力所面临的主要技术难点包括：过冷大水滴的产生及其与云雾颗粒在风洞内的湍流混合问题、超大尺度的水滴在气流中的过冷、沉降问题以及宽滴谱范围的颗粒度分布测量问题。

3.1   大水滴的产生及颗粒的湍流混合问题

为满足SLD结冰条件中滴谱的双峰分布特性要求，行之有效的方法以及难点就是在结冰风洞中使用两种具有单集中度分布特性、粒径范围不同的喷嘴混合喷射，通过在稳定段、收缩段中的湍流混合，从而在下游的试验段形成具有“双峰”特性的颗粒度分布，且这一具备“双峰”分布特性的水滴颗粒的滴谱需要跟SLD条件中的滴谱相吻合。小粒径、大粒径两种喷嘴喷出的颗粒群在湍流混合过程中的碰撞-聚合，会对下游颗粒度分布造成影响。因此，很难利用统计方法对喷雾段下游真实的颗粒度分布特性进行预测。此外，位于喷雾排架不同位置上的、类型不同的喷嘴混合喷射所形成的混合颗粒群，到达下游试验段时，在截面上形成的液态水含量、平均粒径等的分布的均匀性也是很难预测的一项重要指标。

主要解决措施为：(1) 通过对喷嘴的性能包线进行详细测试，拟合出喷嘴粒径、流量特性与供水、供气压差之间的关系，通过喷雾系统水、气压力的精确调节，精确控制每种喷嘴所喷射出水滴的粒径及总流量。(2) 开展空气辅助雾化的大粒径喷嘴的研制，大粒径喷嘴的MVD范围应在100μm~500μm之间，D_max应达到2000μm左右，喷嘴在各个MVD条件下均应具备明显的单峰分布特性。通过调节水、气路节流孔的尺寸及混合腔的尺寸配置来实现大粒径喷嘴的性能需求。(3) 通过对SLD结冰条件中的大、小颗粒群的颗粒度分布特性进行研究，获得大、小颗粒群的平均粒径、颗粒集中度参数及质量分数等参数，采用数值模拟的方法，对混合雾场中的连续相和离散相进行模拟，获得接近真实情况的颗粒混合分布特性；在喷雾实验台上对雾场的混合特性进行实验，验证数值计算的准确性。(4) 采用增加来流湍流度、调整喷嘴的数量及布局、改变喷嘴的喷射流量等方法，提高颗粒混合的均匀性及所获得的混合分布特性与目标曲线的吻合度。

3.2   大水滴的过冷及沉降问题

在结冰风洞中，在水滴的D_max≤500μm条件下，所有液滴颗粒在到达试验段后即可达到完全过冷(液滴温度与气流温度相同)。但在FZRA条件下，由于液滴颗粒增大，从喷嘴喷出的水滴所需要的完全过冷的时间(或距离)大大增加。现有的风洞设备从喷雾段到试验段的长度，均很难满足更大的水滴完全过冷的要求。若增加喷雾段至试验段之间的距离以满足大颗粒液滴的过冷要求，又会带来颗粒沉降造成的均匀性变差的问题。因此，结冰风洞能完全过冷的最大的液滴颗粒实际上就决定了该风洞SLD结冰条件模拟范围。

主要解决措施为：(1) 通过数值模拟的方法，对不同尺寸的颗粒在不同气流温度、速度、压力及湿度的条件下的过冷距离进行研究，确定能完全过冷的水滴的直径上限。(2) 对不同粒径的颗粒在风洞回路中的运动特性进行模拟，获得不同颗粒的沉降量及其对截面液态水含量均匀性的影响。(3) 在喷雾系统的设计中，通过降低供水温度来降低液滴进入气流时的初始温度，从而缩短过冷距离。(4) 通过改进喷雾系统管路的防冻措施来解决水温降低带来的管路及喷嘴结冰堵塞的问题。(5) 通过调节喷嘴在喷雾排架上的数量和间距，解决由于颗粒沉降带来的试验段均匀区偏下的问题。

3.3   颗粒度的准确测量问题

SLD结冰条件的滴谱中，最小的液滴颗粒为5μm，最大的液滴颗粒为2229μm；使用两种喷嘴混合喷射所获得的混合颗粒群的颗粒范围大约在1~2000μm左右，如此宽的颗粒度分布范围给颗粒分布的精确测量带来很大的难度。通常所使用的颗粒粒径测量的仪器主要有PDI、Marlven激光粒度仪、OAP等。此类颗粒度测量设备受镜头焦距、激光功率等的限制，在进行颗粒粒径测量时，均有一定的量程范围。目前，还没有哪一种上述设备能做到在结冰风洞环境中，在一次测量中完全获得1~2000μm的准确的颗粒分布数据。

主要解决措施为：(1) 使用相位多普勒干涉仪和激光光散射粒度仪，通过分段测试，分别完成小粒径范围和大粒径范围的颗粒粒径分布测试，再通过数据拟合的方法，形成完整的颗粒度分布特性测量结果。(2) 采用同一测量设备，如PDI，通过配备不同的发射和接受镜头的焦距(300m、500m 1000mm、2000mm)，对颗粒分布进行分段测量。(3) 对不同粒度测试设备、镜头配置所获得的颗粒度测量结果进行比较，选取最适用于结冰风洞环境的颗粒度测量方法。

4   结束语

通过对SLD结冰条件、国内外结冰风洞SLD结冰条件的模拟能力的发展现状及所遇到的问题进行分析和研究，可以对我国结冰风洞发展SLD结冰模拟能力有以下几点启示：

(1) 需要对现有的结冰风洞设备进行能力评估，确定其具备的发展SLD结冰模拟能力与适航要求之间的差距，新建结冰风洞则需在设计过程中考虑SLD的模拟需求；

(2) 采用混合喷雾的方式实现试验段颗粒“双峰”分布是准确实现SLD结冰条件的有效途径，在实现过程中，需要重点解决大颗粒的产生及混合均匀性、超大颗粒水滴的过冷及沉降、颗粒度准确测量等问题；

(3) 结冰风洞SLD结冰条件的模拟难度大，模拟条件复杂，国外成熟的结冰风洞设备也均在起步阶段，需要进一步跟踪研究，以便为我国结冰风洞相关能力的发展提供技术储备。