降雪环境试验参数分析
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摘 要：氣候环境试验在能力验证试验中占有举足轻重的地位，我国这方面的研究依然相对落后。降雪是典型的自然气候现象，在降雪过程中全水含量、均匀性、能见度等参数是表征降雪强度的关键参数和重要指标。文章使用一套喷雾系统，通过参数调节实现不同的降雪参数。最后，对试验的结果进行了总结分析并简要的提出了全水含量与能见度的简单关系。
关键词：气候试验;能见度;全水含量;降雪
中图分类号：V216.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）15-0079-03
Abstract： The climate and environment test plays an important role in the capability verification test， but the research in this area in our country is still relatively backward. Snowfall is a typical natural climate phenomenon. In the process of snowfall， the parameters such as total water content， uniformity and visibility are the key parameters and important indicators to characterize the intensity of snowfall. In this paper， a set of spray system is used to realize different snowfall parameters through parameter adjustment. Finally， the test results are summarized and analyzed， and the simple relationship between total water content and visibility is put forward.
Keywords： climate test; visibility; total water content; snowfall
引言
随着我国航空事业的发展，飞机设计以及验证试验体系日益成熟。尽管如此，对于飞机气候环境适应性的研究相对于国外仍有较大差距，这方面研究相对比较落后。我国幅员辽阔，总体气候环境也比较复杂。在我国大部分地区降雪在冬季属于常见的气候现象。降雪对于飞机各项性能有着较大的影响。在外场试飞过程，降雪气候可遇而不可求;即使遇到也不能保证数据指标符合试验要求。相反，实验室气候环境试验能避免上述问题。本文对实验室降雪试验中的均匀性和全水含量进行了研究。
均匀性：降雪区域与中心位置数据偏差。
全水含量（Total Water Content）：单位空气体积内液态水与固态水的总质量，其单位为g/m3。
1 研究背景
在航空史上因气象原因发生过很多飞行事故，其中能见度过低和降雪天气引起的事故也相对较多。例如，1990年12月3日下午，两架美国西北航空公司的飞机（波音727-200和麦道DC-9）由于机场雾气弥漫，能见度差在机场跑道上滑行时相撞。1982年1月13日，波音737-200型飞机自华盛顿机场起飞时因发动机吸入冰雪导致推力不足失速坠落。
本文中全水含量计算方法：文中对全水含量的计算模型进行了简化处理，认为雪盘上方圆柱体内的雪粒直线下落且不与圆柱体外的雪粒有干涉（无流入无流出）。基于此模型，全水含量的计算公式（1）如下：
其中W为雪重量，v为雪粒下落速度，T为降雪时间，S为降雪圆柱体面积。
2 研究方法
2.1 设备
本次试验在某气候环境实验室中进行。该气候环境实验室可以实现高温、低温、太阳辐照、淋雨、降雪等多种复杂的气候条件。本文降雪采用一套单模块喷雾系统（如图1所示），该系统包括可以进行水压调节和气压调节的水源车和气源车。通过这一套系统可以将水滴进行雾化处理，这样有利于提高成雪效果;同时，也可以通过调节供水压力和供气压力较好地控制雪粒大小。能见度参数也是本次试验关注的重要指标，试验过程使用能见度仪对试验过程的能见度数值进行记录。
2.2 方法
本次试验过程的实验室环境温度为-9℃和-2℃两个测试温度点，对环境湿度不做控制要求。开始前设定一组初始水压和初始气压作为测量参考值，针对两个温度点进行多个工况的调节并计算全水含量。使用高速摄像机拍摄记录雪粒下落速度，用于分析全水含量。对每个工况降雪过程的降雪区域能见度进行观测并记录数值。降雪目标区域空中放置五个雪盘接下落的雪方便进行称重和观察成雪质量，雪盘放置位置如图2所示，用于分析降雪过程的均匀性。
3 结果与分析
本次试验针对不同条件共进行了多个工况的调试，因篇幅有限在文中就不一一例举了。下面对试验结果重点进行介绍与分析。
3.1 结果
本次试验过程中控制的输入变量有：实验室环境温度、喷雾水压、喷雾气压和喷雾水温。通过对上述参数的调节，实验室环境温度为-9℃时，成雪效果比较好，如图3所示。实验室环境温度为-2℃时，由于初始水温较高，受降落高度影响没有足够的换热过程导致成雪效果不理想，如图4所示。当降低喷雾水温后，获得了较好的成雪效果，如图5所示。试验过程降雪目标区域能见度基本在500m以内，如图5所示。能见度数据能够满足目前的降雪试验要求。通过调节喷雾水压，可以实现目标区域全水含量3g/m3。
3.2 结果分析
本文对能见度与全水含量关系进行了简单的分析，如图6所示。图中点为能见度数值与全水含量测量点。虽然数据量较少，但可以看出全水含量与能见度数值呈正相关关系，及全水含量越高能见度越低。
相比于环境温度为-2℃时，环境温度为-9℃时成雪效果更好。原因也是显而易见的，温度低更有利于进行热交换，从而获得更好的结晶（成雪）效果。受气候环境实验室内部构造影响，降温循环风导致降雪目标区域流场分布不均匀。受流场分布的影响，雪粒下落路径产生偏移，从而导致目标区域均匀性较差。
参考文献：
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