基于某型机结冰喷水系统的喷雾试验研究

张晓 杨园园 程磊

摘 要：某型机结冰喷水系统进行模拟飞机部件表面结冰的喷雾试验，首先对喷雾试验设计输入进行验证，得出供水压力、供气压力分别与供水流量、供气流量的关系，进而验证其与雾滴直径、含水量间的关系。最后，通過试验验证喷雾颗粒的均匀性。试验为后续飞行试验结冰喷雾试验提供了依据。

关键词：喷雾试验 供水流量 雾滴直径 含水量 均匀性

中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（a）-0061-05

Abstract： A certain type ice machine hydraulic system to simulate aircraft parts surface ice spray test， first of all to spray test design input validation， pressure of water supply， gas supply pressure， respectively， and the relationship between water flow rate， gas flow， and then verify its and the droplet diameter， the relationship between water content. Finally， through experiment verify the uniformity of spray particles. Experiment provide a basis for subsequent flight test freeze spray test.

Key Words： Spray test； Water flow； The droplet diameter； Water content； Uniformity

飞机飞行时，由于环境温度和气流速度的作用下在一些部位常出现结冰现象，严重结冰时会危及飞机的飞行安全[1]。国外对结冰的研究开始于20世纪40年代，经过60多年的发展取得了丰硕的成果。然而国内结冰试验研究与国外还存在着较大的差距，飞行试验中验证结冰还没有开展相关验证工作[2]。

由于自然结冰条件非常难遇到，型号试飞的周期进度又要求较紧，因此需要在空中模拟产生结冰气象条件，进行防除冰系统的部分飞行试验。根据某型机防/除冰系统飞行要求，按中国民用航空规章第25部[3]《运输类飞机适航标准》附录C确定的连续和间断的最大结冰条件，研制结冰喷水子系统和地面试验系统，用于制造地面冰云并提供形成冰云的基本条件，通过调整给水和给气的相关技术参数，掌握控制冰云形成的规律，在地面进行充分的试验后，再进行空中结冰喷水试验，为飞机空中飞行结冰试验提供依据。

1 系统工作原理

1.1 喷雾系统

1.1.1 系统总体结构

喷雾系统主要包括空气处理系统、供水系统、模拟风筒、喷水环组件、操控系统、气源车、水源车、电源及管线等部分组成，系统构成如图1所示。

1.1.2 系统工作原理

如图2所示，正常供水时，水泵1或水泵2工作，水泵出口端安装单向阀保证给水不会经过另一个水泵回流，开启电动闸阀1，给水经过电动三通球阀分流，多余给水经过电动三通球阀回流至水箱，给水部分经过水滤器进行过滤，然后经过管路中的流量传感器采集数据并通过PID调节控制电动三通球阀的开度，保证给水控制在规定指标范围内。

正常送气时，气量的调节主要是由流量传感器采集的信号通过PID调节控制气动阀门的开度，气压的大小采用手动调压阀控制，送气温度是由管道温度传感器采集的信号通过PID调节控制气源加热器来实现气温控制，以保证送气的技术指标要求。

当停止试验时，为了清除水路管道中的余水，在给水停止后，启动单向阀1，使热空气导入水路中，此时电动闸阀关闭，热空气将水路中的入水吹除干净，避免水管冻结，清除时间可根据需求设定，清除后单向阀1自动关闭。

应急排水时，关闭气动调节阀、电动闸阀1，电动三通球阀回流通道截止，同时启动1、2水泵和电动闸阀2，排空水箱储水至一定的水位时停止，但电动闸阀2保持开启状态，此时再开启电动闸阀3，靠重力自然排空水箱余水，水箱排完余水后，电动闸阀2及电动闸阀3关闭。

1.1.3 喷雾系统的设计指标

给水压力：3.0～3.5bar；

给水流量：16.8～31.2L/min；

给气压力：3.5bar；

给气流量：8.16～9.57N·m3/min（2.46～2.88m3/min）。

按以上技术条件对给水进行喷雾试验见图3，要求形成的雾滴直径范围：15μm≤VMD（体积中位直径）≤50μm；

50m处空气中的液态水含量：0.2g/m3≤LWC（液态水含量）≤3g/m3。

1.2 均匀性试验

1.2.1 系统结构

试验装置主要由三部分组成，即试管、孔板网格栅和底板。

其中试管为Φ20×200mm，共计1908个，试管间距为3mm，试管用两层孔板网格栅均匀分布，底板为托板，孔板网与底板组焊成一个完整空间隔架，试管可以自由取出，如图4所示。

1.2.2 系统工作原理

在喷嘴选定后，可根据喷嘴的技术指标和喷雾特性，通过调整喷雾技术参数（压力、流量），确定喷嘴的分布尺寸，并由此设计液态水收集隔栅系统，通过直接测量各隔栅的余水收集量来确定喷嘴环系统的均匀性。

1.2.3 均匀性试验设计指标

以平均值为标准，高低差不大于20%为均匀性合格。

2 测试数据及处理

2.1 流量、压力测试

經过手动反复调试后，进行电脑自动控制运行并自动记录测试数据，利用Origin软件对数据进行分析处理得出如图5、图6的曲线。

图5是在供气压力恒定（380kPa）的条件下，改变供水压力，得出供水流量随供水压力变化曲线图；图6是在供水压力恒定（380kPa）的条件下，改变供气压力，得出供气流量随供气压力变化曲线图。

2.2 液滴直径及含水量测试

由图5、图6流量、压力测试结果延续测试雾滴直径和含水量关系。利用测试所提供的激光测试仪，测试并自动记录测试数据，利用Origin软件对数据进行分析处理得出如图7、图8的曲线。

由图7、图8可得出：供气压力不变，供水压力越大，雾滴的含水量越高，雾滴的直径越大；供水压力不变，供气压力越大，雾滴的含水量越底，雾滴的直径越小。由设计输入要求液滴直径范围：15μm≤VMD（体积中位直径）≤50μm，0.2g/m3≤LWC（液态水含量）≤3g/m3，图7、图8显示以上测试结果均满足设计输入要求。

2.3 均匀性试验数据分析

对圆盘上1908个试管进行逐一测量、统计。利用MATLAB和CATIA软件对数据进行分析处理如图9、图10所示。

通过对所有数据进行分析得出：试管液滴平均高度为41.9mm，根据技术参数得出不合格率如表1所示。

从表1可得出不合格概率为19.81%，即：合格的概率为80.19%。根据设计指标，结果满足均匀性试验要求。

3 结论及展望

试验结果表明：本结冰喷雾地面试验系统运行正常，设定的技术参数可控，测试数据满足输入技术指标要求。

此地面试验系统研制主要是通过结冰喷水系统的地面试验，掌握喷雾特性的规律，由上文得出的结论可为后续空中试验做前期技术准备。

本试验的成功也填补了结冰试验在飞行试验结冰喷雾方面工作国内的空白。

参考文献

[1] 周洁敏.飞机电气系统[M].科学出版社，2010.

[2] 杨勤，贺继林.小型无人飞机活塞式发动机进气系统结冰问题的研究[J].中南大学学报，2010（5）：1-4.

[3] 中国民用航空规章第25部[Z].