飛機異常結(jié)冰的過冷凝固機理及理論研究.pdf

1、在航空活動廣泛普及的今天，飛機結(jié)冰仍然是飛行安全的重大威脅，近二十年來造成了多起災(zāi)難性事故。自1994年以來，人們在一系列嚴重結(jié)冰事故發(fā)現(xiàn)了危險的異常結(jié)冰現(xiàn)象：防冰系統(tǒng)后產(chǎn)生了冰脊以致無法正常除冰，以及超出當時結(jié)冰適航條例范圍（FAR25.1419和附錄C）的過冷大粒徑水滴（SLD）環(huán)境。說明原有的飛機防除冰手段難以保證結(jié)冰飛行安全。經(jīng)過二十年的研究，美國聯(lián)邦航空局（FAA）推出了最新的結(jié)冰適航條款（FAR25.1420和附錄O），初步

2、提出了SLD環(huán)境中的結(jié)冰適航要求。但現(xiàn)在仍然缺乏可靠的結(jié)冰預(yù)測和防護手段，這是由于產(chǎn)生異常結(jié)冰的機理還未得到很好的解釋。
　　研究現(xiàn)狀表明，現(xiàn)有的飛機SLD結(jié)冰研究聚焦在于水滴動力學方面，未深入研究冰生長的機理。而對過冷水性質(zhì)的研究進展則揭示了傳統(tǒng)飛機結(jié)冰理論的不足。這要求更深入的研究過冷水結(jié)冰機理，建立可解釋異常結(jié)冰的飛機結(jié)冰理論，支持結(jié)冰預(yù)測、防護及適航性驗證等方面的研究。這項研究將對我國民機結(jié)冰適航有直接的支持，并且對過冷水

3、物理、傳熱、凝固相關(guān)交叉學科研究有推動作用。
　　本文圍繞解釋飛機異常結(jié)冰的目標，以過冷水結(jié)冰物理特性為切入點，開展結(jié)冰機理，飛機結(jié)冰理論和結(jié)冰預(yù)測應(yīng)用三部分研究：
　　1、研究大粒徑過冷水滴的破碎形式產(chǎn)生條件和碰撞結(jié)冰的過程，得到水滴的多因素破碎機理和碰撞非定常傳熱機理認識；研究飛機表面過冷水生長的基本物理過程，得到過冷水層中結(jié)冰速率和形態(tài)演化的機理認識。
　　2、研究飛機表面過冷水層結(jié)冰的演化理論和過冷水滴碰撞耦合

4、結(jié)冰演化理論，提出反映過冷水結(jié)冰物理特性和水滴粒徑效應(yīng)的耦合結(jié)冰演化理論，
　　3、研究飛機異常結(jié)冰數(shù)值預(yù)測算法，提出了水滴多因素破碎模型，過冷水滴碰撞模型和多階段過冷結(jié)冰模型。對異常結(jié)冰特征的產(chǎn)生過程和條件進行了研究，為飛機結(jié)冰預(yù)測、防除冰設(shè)計和適航驗證做準備。
　　本文具體研究過程為：
　　1、通過理論分析和兩相流數(shù)值模擬研究了不同水滴破碎形式發(fā)生的條件、破碎的子液滴粒徑和破碎發(fā)生的位置，掌握水滴不同破碎形式的發(fā)生

5、機理，得到水滴的兩類破碎形式發(fā)生的判據(jù)；通過風洞實驗研究了過冷水滴碰撞結(jié)冰的過程，通過對水滴碰撞結(jié)冰過程和冰形狀特征的分析，得到了過冷水滴碰撞產(chǎn)生的流動、張力影響和傳熱的耦合關(guān)系，對過冷水滴碰撞壁面結(jié)冰的運動和非定常傳熱過程進行了理論分析，得到兩者耦合機理的認識。
　　2、通過機理實驗研究了壁面上過冷水結(jié)冰過程，發(fā)現(xiàn)三階段的冰生長現(xiàn)象，研究了其中冰生長速率和形態(tài)變化的規(guī)律，并研究了材料性質(zhì)對冰生長的影響。通過理論分析得到了結(jié)冰演化

6、過程的機理解釋，以及非定常狀態(tài)下凝固界面的穩(wěn)定性判據(jù)。通過Lattice Boltzmann-相場方法對流動環(huán)境中冰枝的生長過程進行了研究，得到冰枝在流動環(huán)境中的生長規(guī)律，補充實驗和理論的不足。
　　3、通過理論分析研究了過冷水層中多階段結(jié)冰演化過程，包括冰在水層連續(xù)和間斷時的生長階段演化理論；研究了大過冷水滴破碎和碰撞結(jié)冰過程，包括水滴破碎過程影響水滴粒徑分布和碰撞位置的理論，水滴的碰撞運動、非定常傳熱與影響冰表面穩(wěn)定性的理論。

7、得到了飛機上過冷水的耦合結(jié)冰演化理論。
　　4、通過飛機的二維結(jié)冰數(shù)值方法，研究并校驗了水滴多因素破碎模型、水滴碰撞非定常傳熱模型、多階段過冷結(jié)冰模型，并且同經(jīng)典Messinger結(jié)冰模型進行結(jié)冰對比研究，得到異常結(jié)冰的特征認識：在穩(wěn)態(tài)結(jié)冰時，過冷水中冰枝的生長速度和溫度的關(guān)系為冪函數(shù)，能產(chǎn)生比經(jīng)典Messinger結(jié)冰模型預(yù)測更快的結(jié)冰速率和更強的溢流冰；在非定常結(jié)冰時，模型中結(jié)冰形態(tài)的轉(zhuǎn)換會帶來結(jié)冰速率的突變；大粒徑水滴的碰撞