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摘 要：风洞结冰试验是研究飞行器结冰现象和防/除冰装置性能的重要试验项目，喷雾系统是风洞开展结冰试验的核心设备。本文以冰云试验所使用的喷雾系统为研究对象，搭建了模拟实验台开展研究。应用激光多普勒测雾仪进行云雾粒径测量，通过不同供水压力、供气压力、气流速度条件下的组合实验，实现了冰云试验所需的云雾粒径（10μm～50μm），研究了喷雾粒径与各项参数的影响关系。结果表明：水压、气压对喷雾参数的影响显著，液滴平均直径MVD随供气压力的增加而减小。
关键词：结冰风洞;喷雾系统;实验研究;云雾参数
引言
风洞结冰试验可用于研究飞行器结冰现象和防/除冰装置性能。结冰风洞设备一般由洞体构件形成回流式风道，通过动力系统、制冷系统、压力调节系统在试验段形成指定的飞行环境条件，喷雾系统在试验段模拟云雾环境条件。云雾环境参数中液态水含量、平均水滴直径是最为重要的参数，而这些参数的调节依赖于喷雾系统，因此喷雾系统的设计对于结冰风洞来说很关键。国外开展结冰风洞试验研究较早，美国NASA格林研究中心结冰风洞（IRT）、意大利航天研究中心结冰风洞、美国LeClerc结冰实验室的Cox结冰风洞均是世界著名的结冰风洞。中国空气动力研究与发展中心CARDC也建设了一座3m×2m量级的亚声速结冰风洞。近年来结冰喷雾方向的研究呈增长趋势，中国空气动力研究与发展中心的易贤[1]等对结冰风洞水滴直径及水滴结冰分布进行了研究，符澄[2]等对结冰风洞环境下的喷嘴雾化特性进行了研究，陈旦[3]等对于喷雾系统的的控制策略进行了研究。
本文通过搭建喷雾系统实验台，对喷雾系统的云雾参数影响因素进行了研究，重点研究了气压、水压、风速对云雾参数的影响。
1.实验台组成
喷雾系统由以下几部分组成：风源设备、供水系统、供气系统、喷雾耙、测量系统。
风源设备如图1所示，包含了动力源风机、风道等，可实现不同的风速要求。
动力源风机最大风量40m?/s，可实现出口最大风速40m/s，风机后接圆变方转接段、稳定段，稳定段内安装蜂窝器、阻尼网以及喷雾耙，稳定段截面尺寸为1600mm×1600mm;试验段尺寸为500mm×500mm，通过收缩段实现稳定段到试验段的平滑过渡。
供水系统和供气系统原理图如图2所示：
供水系统主要由稳压罐、调节阀（包括粗调和精调）、流量计、微型电磁阀等设备组成。供水方式采用压力供水，稳压罐与空压机相连，实现稳压罐内水压恒定的目的。供水主管路上设置调节阀，实现对水压的粗调节，每个喷雾耙供水入口处设置调节阀，实现喷嘴供水压力的精确调节。通过调节阀、压力表以及流量计，供水系统实现喷嘴供水压力、流量的调节。
供水系统设置回水管路，即供水管路在喷雾耙内穿过后到达喷雾耙外，在回水管路上设置调节阀和压力表，实现供水管路的背压调节，该路用于研究不同水压控制方式对于压力稳定时间的影响。
供气系统由空压机、调节阀（包括粗调和精调）、流量计以及相应管道设备组成。供气系统在主管路和支路上分别设置粗调节阀门和精调阀门，实现喷嘴供气压力的精确调节。
喷雾耙设计为NACA0024翼型。内部设置供气管道、供水管道、信号线管道、微型电磁阀。喷雾耙内的供水管道在每个喷嘴前设置一个微型电磁阀，实现对单个喷嘴启闭的控制。
水、气的压力参数通过量程0.1～1.0MPa的高精度压力传感器测量，流量参数通过电磁流量计测量。
测雾仪采用美国Artium公司TK1系列测雾仪，该系列测雾仪测量粒径范围为1.5～300μm，可以满足喷雾系统试验测量需求。
2.实验内容和方法
喷雾系统实验台实验对象为冰云模拟试验所用的DS988系列喷嘴，分别进行风速20m/s、30m/s、40m/s三种风速工况试验，每种风速工况试验下供水压力1～5bar、供气压力0.5～7bar，有选择的对不同水压、气压进行试验。
在实验过程中，通过调节供水管路以及供气管路中设置的粗调节阀及精调节阀，实现对供水压力和供气压力的精确调节。实验过程如下：
a）储水罐注水;
b）连接测雾仪，检查测雾仪连接是否完好;
c）连接压缩空气，打开空压机，使压缩空气缓冲罐及储水罐压力达到预定值;
d）开启风机，采用热线风速仪测量喷口风速，调节点击频率至喷口风速达到预定值;
e）打开供水系统以及供气系统，通过调节阀调节供水压力、供气压力至设定值;
f）待风速、水压、气压均达到稳定状态后，在试验区的采用测雾仪测量云雾场并记录相应数据。
3.实验结果
3.1 液滴平均粒子直径的定义
喷雾液滴的尺寸分布函数较为复杂，为方便起见，许多关于喷雾的研究都仅采用液滴的平均直径。
对于本文研究的冰云模拟试验，以往的研究表明体积平均直径D30是主要影响因素。体积平均直径的定义如下：
3.2 结果参数
本文对冰云模拟试验用喷嘴进行了三种风速工况下，不同供水压力、供气压力状态时云雾场参数的测量。所有状态下云雾场液滴平均粒径如表1所示：
可以看出，本文实验所用喷头实现的最小液滴平均直径为7.4μm（风速40m/s，供水压力5bar、供气压力6bar），最大液滴平均直徑为63.8μm（风速20m/s，供水压力5bar、供气压力1bar）。测试结果覆盖了结冰风洞冰云试验中液滴平均直径10μm～50μm的要求。
4.结论
本文针对结冰风洞冰云模拟试验所使用的喷雾系统搭建了实验台，采用激光多普勒测试仪研究了所用喷嘴的云雾参数特性，结果表明：
（1）本文所采用的实验系统基本实现了冰风洞中冰云模拟平均液滴直径10μm～50μm的要求。
（2）在相同供水压力条件下，风速越高，供气压力越高，液滴直径越小。
（3）在进行小液滴直径试验中，可适当提高供气压力实现液滴平均直径的降低。反之需要进行液滴直径较大的冰云试验时，可适当降低供气压力，实现液滴平均直径的增大。
参考文献
[1] 易贤，桂业伟，肖春华，黄志祥.结冰风洞液态水含量测量方法研究[J].科技导报，2009，27（21）：86-90.
[2] 符澄，彭强，张海洋，王超，吴盛豪.结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究[J].实验流体力学，2015，29（03）：30-34.
[3] 陈旦，李树成，张永双，盖文，黄威凯.某结冰风洞喷雾水压控制系统设计[J].计算机测量与控制，2017，25（09）：68-71.
关键词：结冰风洞;喷雾系统;实验研究;云雾参数
引言
风洞结冰试验可用于研究飞行器结冰现象和防/除冰装置性能。结冰风洞设备一般由洞体构件形成回流式风道，通过动力系统、制冷系统、压力调节系统在试验段形成指定的飞行环境条件，喷雾系统在试验段模拟云雾环境条件。云雾环境参数中液态水含量、平均水滴直径是最为重要的参数，而这些参数的调节依赖于喷雾系统，因此喷雾系统的设计对于结冰风洞来说很关键。国外开展结冰风洞试验研究较早，美国NASA格林研究中心结冰风洞（IRT）、意大利航天研究中心结冰风洞、美国LeClerc结冰实验室的Cox结冰风洞均是世界著名的结冰风洞。中国空气动力研究与发展中心CARDC也建设了一座3m×2m量级的亚声速结冰风洞。近年来结冰喷雾方向的研究呈增长趋势，中国空气动力研究与发展中心的易贤[1]等对结冰风洞水滴直径及水滴结冰分布进行了研究，符澄[2]等对结冰风洞环境下的喷嘴雾化特性进行了研究，陈旦[3]等对于喷雾系统的的控制策略进行了研究。
本文通过搭建喷雾系统实验台，对喷雾系统的云雾参数影响因素进行了研究，重点研究了气压、水压、风速对云雾参数的影响。
1.实验台组成
喷雾系统由以下几部分组成：风源设备、供水系统、供气系统、喷雾耙、测量系统。
风源设备如图1所示，包含了动力源风机、风道等，可实现不同的风速要求。
动力源风机最大风量40m?/s，可实现出口最大风速40m/s，风机后接圆变方转接段、稳定段，稳定段内安装蜂窝器、阻尼网以及喷雾耙，稳定段截面尺寸为1600mm×1600mm;试验段尺寸为500mm×500mm，通过收缩段实现稳定段到试验段的平滑过渡。
供水系统和供气系统原理图如图2所示：
供水系统主要由稳压罐、调节阀（包括粗调和精调）、流量计、微型电磁阀等设备组成。供水方式采用压力供水，稳压罐与空压机相连，实现稳压罐内水压恒定的目的。供水主管路上设置调节阀，实现对水压的粗调节，每个喷雾耙供水入口处设置调节阀，实现喷嘴供水压力的精确调节。通过调节阀、压力表以及流量计，供水系统实现喷嘴供水压力、流量的调节。
供水系统设置回水管路，即供水管路在喷雾耙内穿过后到达喷雾耙外，在回水管路上设置调节阀和压力表，实现供水管路的背压调节，该路用于研究不同水压控制方式对于压力稳定时间的影响。
供气系统由空压机、调节阀（包括粗调和精调）、流量计以及相应管道设备组成。供气系统在主管路和支路上分别设置粗调节阀门和精调阀门，实现喷嘴供气压力的精确调节。
喷雾耙设计为NACA0024翼型。内部设置供气管道、供水管道、信号线管道、微型电磁阀。喷雾耙内的供水管道在每个喷嘴前设置一个微型电磁阀，实现对单个喷嘴启闭的控制。
水、气的压力参数通过量程0.1～1.0MPa的高精度压力传感器测量，流量参数通过电磁流量计测量。
测雾仪采用美国Artium公司TK1系列测雾仪，该系列测雾仪测量粒径范围为1.5～300μm，可以满足喷雾系统试验测量需求。
2.实验内容和方法
喷雾系统实验台实验对象为冰云模拟试验所用的DS988系列喷嘴，分别进行风速20m/s、30m/s、40m/s三种风速工况试验，每种风速工况试验下供水压力1～5bar、供气压力0.5～7bar，有选择的对不同水压、气压进行试验。
在实验过程中，通过调节供水管路以及供气管路中设置的粗调节阀及精调节阀，实现对供水压力和供气压力的精确调节。实验过程如下：
a）储水罐注水;
b）连接测雾仪，检查测雾仪连接是否完好;
c）连接压缩空气，打开空压机，使压缩空气缓冲罐及储水罐压力达到预定值;
d）开启风机，采用热线风速仪测量喷口风速，调节点击频率至喷口风速达到预定值;
e）打开供水系统以及供气系统，通过调节阀调节供水压力、供气压力至设定值;
f）待风速、水压、气压均达到稳定状态后，在试验区的采用测雾仪测量云雾场并记录相应数据。
3.实验结果
3.1 液滴平均粒子直径的定义
喷雾液滴的尺寸分布函数较为复杂，为方便起见，许多关于喷雾的研究都仅采用液滴的平均直径。
对于本文研究的冰云模拟试验，以往的研究表明体积平均直径D30是主要影响因素。体积平均直径的定义如下：
3.2 结果参数
本文对冰云模拟试验用喷嘴进行了三种风速工况下，不同供水压力、供气压力状态时云雾场参数的测量。所有状态下云雾场液滴平均粒径如表1所示：
可以看出，本文实验所用喷头实现的最小液滴平均直径为7.4μm（风速40m/s，供水压力5bar、供气压力6bar），最大液滴平均直徑为63.8μm（风速20m/s，供水压力5bar、供气压力1bar）。测试结果覆盖了结冰风洞冰云试验中液滴平均直径10μm～50μm的要求。
4.结论
本文针对结冰风洞冰云模拟试验所使用的喷雾系统搭建了实验台，采用激光多普勒测试仪研究了所用喷嘴的云雾参数特性，结果表明：
（1）本文所采用的实验系统基本实现了冰风洞中冰云模拟平均液滴直径10μm～50μm的要求。
（2）在相同供水压力条件下，风速越高，供气压力越高，液滴直径越小。
（3）在进行小液滴直径试验中，可适当提高供气压力实现液滴平均直径的降低。反之需要进行液滴直径较大的冰云试验时，可适当降低供气压力，实现液滴平均直径的增大。
参考文献
[1] 易贤，桂业伟，肖春华，黄志祥.结冰风洞液态水含量测量方法研究[J].科技导报，2009，27（21）：86-90.
[2] 符澄，彭强，张海洋，王超，吴盛豪.结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究[J].实验流体力学，2015，29（03）：30-34.
[3] 陈旦，李树成，张永双，盖文，黄威凯.某结冰风洞喷雾水压控制系统设计[J].计算机测量与控制，2017，25（09）：68-71.