飞机结冰微观结构特征的定量表征与演化规律研究

Aircraft icing is a hidden cause which seriously endangers the flight safety. Influenced by meteorological and flight conditions, the physical characteristics of aircraft icing are with great differences which could be distinguished from a microscopic point of view. This research focuses on mathematical expression of microscopic characteristic for aircraft icing. Concretely, cognition, information extraction and modeling of micro-structure, together with quantitative characterization and evolution law of micro-feature are studied. And the work is carried out by means of theoretical analysis, icing tests, and numerical experiments. Through the research, the generation mechanism of micro-structure is obtained. And then a 3-D modeling method and a feature characterization method of micro structure are mathematically built, which are based on proposed variational segmentation models and effective algorithms for micro-images of ice. Finally, change rules of micro-feature in different icing conditions are presented. The corresponding achievements provide essential technical and data supporting for thermodynamics and dynamics behavior study of aircraft icing. And the research results can be widely applied to the field of icing prediction, icing high-accuracy detection, anti-/de-icing and so on.

飞机结冰是严重危害飞行安全的重要隐患之一，受大气环境和飞行状态等条件影响，飞机结冰的物理特性呈现多样化，从微观角度深入开展研究是认知其差异的根本性途径。本项目针对飞机结冰微观结构特征的数学描述问题，以“结冰特性认识-结冰微观信息表达-微观特征规律凝练”为主线，采用理论分析、结冰试验和数值模拟相结合的研究手段，具体开展结冰微观结构特性剖析、结构信息提取、结构数理建模、特征定量表征、特征演化规律等研究。通过研究，获得结冰微观结构形成的驱动机制，提出微观信息提取的变分图像分割模型与算法，建立结冰三维微观结构数学模型与特征定量表征方法，掌握微观特征随结冰条件的变化规律。相关成果为结冰热/动力学行为研究提供理论依据和数据支撑，在冰形精确预测、结冰高精度探测、防除冰策略优化设计等方面具有广阔的应用前景。

飞机结冰是严重危害飞行安全的重要隐患之一，受大气环境和飞行状态等条件影响，飞机结冰的物理特性呈现多样化，从微观角度深入开展研究是认知其差异的根本性途径。飞机结冰是动态冻结的过程，在微观上会形成类似多孔介质的孔隙结构，该微观结构直接影响结冰的物理特性，同时又因结冰条件的不同而呈现一定差异化。针对温度对飞机结冰微观特性定量影响这一难点问题，首先结合图像分割方法，提出结冰微观信息提取方法；其次，结合结冰微观形态的定量结果提出合理假设，建立结冰微观结构的数学模型，并提出计算密度的概念，以此作为衡量结冰内部孔隙分布特性的定量指标；最后，以风洞试验显微图像为对象，验证所提孔隙提取方法和微观结构数学模型的适用性与合理性，并开展了结冰条件对孔隙分布和计算密度的定量影响研究，微观定量结果与宏观特性具有较高的一致性。通过研究，可以为结冰微观定量研究提供方法手段，为结冰物理现象及物理特性的深入认识提供定量依据。