基于DPM 的空气吹拂式除雨技术

中国航空工业第一飞机设计研究院,陕西 西安710089

飞机的风挡位于飞行员的正前方，能够为飞行员提供足够的视野来观察机外情况。飞机在雨中飞行时，风挡玻璃的外表面会遭遇雨水的冲击，导致风挡玻璃外的事物能见度下降，这严重威胁到飞行安全。适航条款CCAR-25 第773(b)(1)条要求在降水情况下，应使飞机的风挡玻璃具有一个清晰的范围[1]。HB7496-1997 第4.7 条对关键视野区的定义：“清除的最小范围为设计眼位的左、右各15°，向上到预期使用中以最陡航迹进场时看到跑道，向下到第4.3 条规定的视野限制的最低值”[2]。随着未来战争对飞机高隐身性的要求，传统的除雨方式已经不满足要求，研究新的除雨技术已经迫在眉睫。国外近年来在除雨技术上主要是基于新材料、新工艺、新方法的研究，美国在B2 飞机上采用了空气吹拂除雨系统。目前国内对传统的除雨方式研究比较多，对空气吹拂式除雨技术的相关研究较少。由于国外对新技术的封锁，目前我们能掌握的资料很少，亟需我们自己去探索空气吹拂式除雨技术。本文初步探究了雨滴直径、喷气速度以及入射角度对除雨效果的影响。

1 计算方法

雨滴在空气中的运动是一个气—液两相流问题。空气中雨滴的体积分数小于10%，满足DPM 模型的使用条件，在拉格朗日坐标系下对雨滴进行跟踪，确定每个雨滴在不同时刻及位置的物理量，通过积分拉式坐标系下的雨滴作用力微分方程来求解雨滴的轨迹。雨滴的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式（x方向）为：

其中，FD(u-up)为雨滴的单位质量曳力，u为空气速度，up为雨滴速度，μ为空气动力粘度，ρ为空气密度，ρp为雨滴密度，dp为雨滴直径，Re为雨滴雷诺数，其定义为：，CD为曳力系数，其与雨滴的相对变形量和雷诺数有关，在计算小直径雨滴时本文忽略雨滴变形，即y=0。

本文先计算外流场，再打开离散相模型，在流场中引入雨滴。由于雨滴受到作用力中空气曳力是最大的，因此在计算过程中需要激活动态曳力模型。本文忽略雨滴受力时的瞬态变化，认为整个运动过程是准定常的，雨滴物性参数恒定且各雨滴之间无相互作用。在研究雨滴直径、喷气的入射角度和速度对除雨效果影响时认为雨滴运动过程中不发生变形、破碎。在仿真计算中设定，当雨滴与壁面发生碰撞时，雨滴的轨道计算终止。

当进入流场的雨滴直径较大时，在高速喷射气体的作用下会使雨滴颗粒发生破碎，变成更小的颗粒。TAB 模型是描述液滴破碎的经典模型，本文计算雨滴破碎采用的是TAB 模型，其控制方程为：

其中CF、Ck、Cd为常数，CF=8，Ck=5，Cd=1/3，y为雨滴的相对变形量，r为雨滴半径，ρf为空气密度，ρl为雨滴密度，μl为水的粘性系数，σ为表面张力。

2 结果分析

2.1 各因素对除雨的影响

图1 为雨滴直径、喷射气体的速度和入射角度对除雨效果的影响。图1(a)计算的工况是空气来流速度为100 m/s，喷射气体的速度为340 m/s。图1(b)计算的工况是空气来流速度为100 m/s，喷射气体角度为75°。当喷射气体的入射角度和速度不变时，随着雨滴直径的增加，落到风挡上的雨滴数量越来越多，雨滴直径小于0.3 mm 时的雨滴数量的增加量远远大于雨滴直径大于0.3 mm 时的增加量。当雨滴的直径不变且小于0.3 mm 时，喷射气体的入射角度和速度越大，落到风挡上的雨滴数量越小，而且雨滴数量的减小量较大；当雨滴直径大于0.3 mm 时，改变喷射气体的入射角度和速度对落在风挡上的雨滴数量影响很小。当雨滴直径小于0.3 mm 时，喷射气体入射角由30°变成45°造成的雨滴数量减小量远小于由75°变成90°时的减小量，所以落在风挡上的雨滴数量与喷射气体的入射角度是正相关，但不是线性关系。

图1 各因素对除雨效果的影响Fig.1 Influence of various factors on the results of rain remove

对比图1(a)和1(b)两条蓝颜色的曲线，当雨滴直径相同且小于0.3 mm 时，图1(a)蓝色曲线的纵坐标（即落在风挡上的雨滴数量）要小于图1(b)蓝色曲线的纵坐标；当雨滴直径相同且大于0.3 mm时，两种工况下的雨滴数量差别不大。在雨滴直径较小时，相对于增加喷射气体的速度，增大喷气的入射角度对除雨更有效。

图1(c)的计算工况是空气来流速度为100 m/s，喷射气体的入射角度为75°。图1(d)的计算工况是空气来流速度为100 m/s，喷射气体的速度为340 m/s。随着雨滴直径的增加，风挡上的无水滴区域越来越小，而且当雨滴直径小于0.3 mm 时无水滴区域减小的趋势较大，当雨滴直径大于0.3 mm时，由于雨滴的惯性较大，喷射气体对雨滴轨迹的改变较小，致使风挡的无水滴区域的下降趋势较缓。当雨滴直径为一定值时，随着喷气的速度和入射角度的增大，风挡的无水滴区域越大。改变入射角度对结果的影响比改变速度的大。改变喷气的速度和入射角度对无水滴区域的影响还与雨滴直径的大小有关，雨滴直径越小，对无水滴区域的影响越大。当喷气的入射角度为30°时，即喷气入射方向与风挡玻璃的相对夹角为0°，风挡的无水滴区域基本为一个定值。

2.2 雨滴雾化

雨滴雾化可以认为是在内外力作用下，雨滴的破碎过程。飞机风挡除雨系统通用规范GJB5190-2003 第3.2.1.2 条规定了小雨、中雨、大雨、暴雨、淫雨5 种雨情，其中淫雨的雨滴平均直径为4 mm[3]。本文在研究雨滴破裂时，设定进入流场的雨滴直径为4 mm。图2(a)中蓝颜色的颗粒为雨滴破碎后形成的新颗粒，有超过50%的新生颗粒直径小于20 μm，红颜色的为原有的雨滴，但其由于空气的作用，大量的雨滴发生破碎，颗粒直径已经小于4 mm，而且大部分的新颗粒被高速气流带走。图2(b)纵坐标是流场中颗粒的直径大小，横坐标是颗粒在流场中存在的时间。在流场中引入100 粒雨滴，雨滴经过喷嘴后，流场中颗粒的数量变成2016 粒，其中直径小于20 μm 的颗粒有1361 粒，即大雨滴破碎雾化成大量的小雾滴。

图2 雨滴破碎形成的新颗粒及直径Fig.2 The size of the new particles formed by the broken raindrops

3 结论

在不考虑雨滴破碎的情况下，当雨滴直径小于0.25 mm，可以通过增大喷气的速度和入射角度，保证风挡上无水滴区域占50%以上，进而为飞行员提供良好的视野。从节省能源出发，在小雨情下，为达到相同的除雨效果，我们可以增大喷气的入射角度来减少喷气的速度，进而减少喷气量。为了能保证吹走雨滴，喷嘴需要与风挡之间有一定的夹角。直径较大的雨滴会发生破碎生成直径为微米量级的雨滴，雨滴的惯性力也会减少，从喷嘴喷出的气体可以将小雨滴吹离风挡表面。当雨滴直径大于0.3 mm 且未考虑雨滴破碎时，除雨效果不太理想，在以后的计算中需要考虑雨滴的破碎。当飞机在大雨情下飞行时，伴随着大雨滴破碎形成小雨滴，会在风挡前形成一层薄雾，这影响到飞行安全，可以考虑增加喷气的温度来蒸发雾滴，防止干扰飞行员的视线。