面向复杂形态生长演化的飞机结冰预测关键问题研究

Aircraft icing seriously affects flight safety,and the icing airworthiness certification is a very important part in civil aircraft airworthness. The results of numerical simulation are necessary support for the validation of airworthiness conformance. The predicion of complex morphology of ice and the flowpattern of unfrozen water on heated surface when super-cooled droplets impinging on the aircraft components will be investigated in this project..The multi-filed and multi-scale mathematical model is to be investigated including the influence of the stochastic distribution of droplets, the surface behavior, the complicated pattern of icing surface, and the flow pattern of unfrozen water etc. The analysis method from the mesoscopic level for the icing and anti-icing system under discontinous circumstance is to be developed to meet the requirements of adaptability and flexibility; The microscopic test of icing and anti-icing process is to be conducted to achieve the necessary data for the mechanism analysis, modeling and validation of computational method, and the numerical technique for the prediction of complex icing and anti-icing process is to be proposed to match the actual physical phenomena. .This research is of beniefit to the deep understanding of the complicated heat and mass transfer process in aicraft icing,and could provide more powerful support to civil aircraft airworthness certification in aircraft icing prediction,ice model acquirement for wind tunnel experiment, analysis of icing influnce to aerodynmaic performance and control stability, design of high-performance anti-de/icing sytem etc. Additionally, this research refers to the engineering thermal physics and aircraft safety etc., so there is evidently multi-interdisciplinary characteristics in this research, and it has the potential to promote the development of the related subjects.

飞机结冰严重影响飞行安全，结冰适航认证是民用飞机适航领域的重要课题，数值模拟结果能为结冰适航符合性验证提供必要支撑，本项目开展飞机复杂结冰形貌及加热防冰表面的复杂流态的预测研究。.考虑过冷水滴随机性、表面材料特性、结冰表面复杂形态、未冻结水流态等，建立多场耦合、多尺度的结冰及防冰分析数学模型，发展基于介观层面的非连续状态下结冰和加热防冰问题的分析方法；开展结冰和防冰微观实验研究，为机理分析、数学建模和算法验证提供支持，最终形成更符合实际物理特征的飞机复杂结冰形貌和加热防冰问题的数值预测技术。.本项目研究有助于更深刻地理解飞机结冰和防冰问题中的复杂相变、传热传质过程，为民用飞机适航中的飞机结冰预测、风洞实验冰型获取、结冰后气动和操纵稳定性分析等以及高效防除冰系统设计提供更为可靠和精确的支撑；研究涉及工程热物理和航空安全性等多个学科领域，具有明显的学科交叉性，对促进相关学科发展具有重要价值。

飞机结冰严重影响飞行安全，结冰适航认证是民用飞机适航领域的重要课题，数值模拟结果能为结冰适航符合性验证提供必要支撑，为提升结冰和防冰预测精度，开展了飞机复杂结冰形貌及加热防冰表面的复杂流态的预测研究。.采用数值模拟方法分析了模拟冰形和实验冰形对机翼气动特性影响，揭示了传统Messinger结冰模型的预测结果会低估冰形表面特征对气动性能的影响；在三维水滴运动方程中加入了过冷大水滴的动力学效应，以随机发射模型的方式嵌入水滴随机性，提出了考虑随机性的三维水滴撞击特性计算方法，建立了包括水滴运动模型和结冰概率模型的三维随机结冰模型；通过冰形、结冰密度以及表面粗糙度计算分析，表明了所建立的模型具有预测不连续冰形复杂形貌的优势，能为飞机适航中的结冰预测、结冰后气动和操纵稳定性分析等提供更为符合实际物理特征的冰形数据。.以欧拉水膜模型和Messinger模型为基础，利用部分湿润模型引入材料特性及复杂流态，提出了适用于常规材料和疏水材料表面加热防冰预测方法，能够进行未冻结水复杂流动和防冰效果的预测，通过实验验证了方法的可靠性，可为高效防冰系统设计提供更为细致的支撑。.设计搭建了实验系统，完成了不同特性平板表面的水膜流动实验，获得了相应的流态特征数据，并开展了不同疏水特性表面的结冰和防冰的冰风洞实验。实验数据与数值计算结果进行了对比分析，验证了所建立的模型和方法的可靠性。.同时，研究内容拓展到飞机飞机风挡热气除雨和飞机表面结霜问题。建立了热气吹拂作用下雨滴撞击和除雨过程的预测方法，设计搭建了风挡热气除雨原理性验证实验台，验证了热气除雨预测方法的有效性；建立了飞机表面三维霜层生长预测模型，设计搭建了平面、曲面结霜实验系统，验证了结霜模型的有效性。通过实际工程案例的数值模拟分析，表明所提出的方法能够直接应用于飞机风挡热气除雨系统的设计分析和飞机表面结霜计算分析。