AIA文章导读丨结冰风洞喷雾耙构型对云雾场及温度场均匀性的影响分析

空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室

中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所

关键词：结冰风洞，喷雾耙，数值模拟，DPM模型，云雾均匀性

本研究首先建立了过冷水滴输运的数学模型，并基于欧拉-拉格朗日双向耦合方法对水滴的输运及沉降过程进行了数值求解。在此基础上，对比分析了两种喷雾耙形状对试验段内云雾场与温度场均匀性的影响。研究中采用欧拉方法描述流场与温度场的演变，利用拉格朗日方法追踪液滴的运动轨迹，并通过双向耦合迭代实现连续相与离散相之间的相互作用求解。此外，本文还开展了参数敏感性分析，针对特定喷雾耙构型，探讨了不同风速与液滴尺寸对云雾场和温度场均匀性的影响规律。图1为风洞计算模型示意图。

（a）计算模型

（b）6个垂直竖版                   （c）7个垂直竖版

图2展示了两种不同喷雾耙形状下的液滴流动轨迹示意图。在试验段内，液滴大小为20微米，流速为80米/秒。该图显示，液滴在离开喷嘴后，在气动力的作用下与气流一起运动。在到达收缩段时，液滴改变其流动路径，随后进入试验段。从模型-I的计算结果（图2a），可以明显看出，从中间三排喷嘴喷出的液滴簇具有均匀的大小和形状，表现出一致性。相比之下，模型-II的计算结果（图2b）显示出显著差异，其中央喷嘴喷出的液滴簇的宽度明显比模型-I计算的要宽。这种差异归因于模型-II中存在一个中间垂直板，它可能对计算模型下游云雾场的均匀性产生影响。此外，在出口表面中心区域观察到的液滴分散效果方面，两组计算之间存在明显的差异。

图2 液滴流动轨迹示意图 (dp = 20 μm, v = 80 m/s)

通过分析图3中展示的气流场速度矢量，可以解释模型-I中间喷嘴处观察到的射流宽度增大的原因。垂直板和水平板之间的相互作用产生了一种独特的流动现象：由于空气流过水平板，在喷嘴位置形成了一个对称的涡旋。这个涡旋产生了一个低压回流区（如图3a所示），该区域像磁铁一样吸引水平板两侧的气流。因此，当液滴穿过这个区域时，它们会受到横向力的作用，推动它们向边缘移动（如图3b所示）。这种横向分散机制显著扩大了喷射范围，从而导致观察到的射流宽度增加。 

图3 中间垂直板位置的气流场流动特性 (dp = 20 μm, v = 80 m/s)

气流穿过喷雾耙水平板尾缘时，会形成对称的回流区。同时，垂直板起到阻挡作用，在尾流区产生局部高压区。在此压差作用下，液滴受到横向力的影响。与无垂直板阻挡的喷嘴相比，靠近中间垂直板的喷嘴所喷出的液滴，其横向流动范围更宽。在试验段气流速度为80米/秒的条件下，加入中间垂直板会导致模型出口段云雾场均匀性指数下降，且随着颗粒尺寸的增大，这一下降趋势更为明显。

Li, T., Yang, Q., Wang, Q. et al. Study on the influence of spray rake configuration on the uniformity of cloud field and temperature field in a large-scale icing wind tunnel. Adv. Aerodyn.7, 21 (2025).