飛機(jī)異常結(jié)冰的過(guò)冷凝固機(jī)理及理論研究.pdf

1、在航空活動(dòng)廣泛普及的今天，飛機(jī)結(jié)冰仍然是飛行安全的重大威脅，近二十年來(lái)造成了多起災(zāi)難性事故。自1994年以來(lái)，人們?cè)谝幌盗袊?yán)重結(jié)冰事故發(fā)現(xiàn)了危險(xiǎn)的異常結(jié)冰現(xiàn)象：防冰系統(tǒng)后產(chǎn)生了冰脊以致無(wú)法正常除冰，以及超出當(dāng)時(shí)結(jié)冰適航條例范圍（FAR25.1419和附錄C）的過(guò)冷大粒徑水滴（SLD）環(huán)境。說(shuō)明原有的飛機(jī)防除冰手段難以保證結(jié)冰飛行安全。經(jīng)過(guò)二十年的研究，美國(guó)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(cè)和防護(hù)手段，這是由于產(chǎn)生異常結(jié)冰的機(jī)理還未得到很好的解釋。
　　研究現(xiàn)狀表明，現(xiàn)有的飛機(jī)SLD結(jié)冰研究聚焦在于水滴動(dòng)力學(xué)方面，未深入研究冰生長(zhǎng)的機(jī)理。而對(duì)過(guò)冷水性質(zhì)的研究進(jìn)展則揭示了傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)冰理論的不足。這要求更深入的研究過(guò)冷水結(jié)冰機(jī)理，建立可解釋異常結(jié)冰的飛機(jī)結(jié)冰理論，支持結(jié)冰預(yù)測(cè)、防護(hù)及適航性驗(yàn)證等方面的研究。這項(xiàng)研究將對(duì)我國(guó)民機(jī)結(jié)冰適航有直接的支持，并且對(duì)過(guò)冷水

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

4、結(jié)冰演化理論，提出反映過(guò)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(jī)異常結(jié)冰數(shù)值預(yù)測(cè)算法，提出了水滴多因素破碎模型，過(guò)冷水滴碰撞模型和多階段過(guò)冷結(jié)冰模型。對(duì)異常結(jié)冰特征的產(chǎn)生過(guò)程和條件進(jìn)行了研究，為飛機(jī)結(jié)冰預(yù)測(cè)、防除冰設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證做準(zhǔn)備。
　　本文具體研究過(guò)程為：
　　1、通過(guò)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(jī)理，得到水滴的兩類破碎形式發(fā)生的判據(jù)；通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了過(guò)冷水滴碰撞結(jié)冰的過(guò)程，通過(guò)對(duì)水滴碰撞結(jié)冰過(guò)程和冰形狀特征的分析，得到了過(guò)冷水滴碰撞產(chǎn)生的流動(dòng)、張力影響和傳熱的耦合關(guān)系，對(duì)過(guò)冷水滴碰撞壁面結(jié)冰的運(yùn)動(dòng)和非定常傳熱過(guò)程進(jìn)行了理論分析，得到兩者耦合機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
　　2、通過(guò)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究了壁面上過(guò)冷水結(jié)冰過(guò)程，發(fā)現(xiàn)三階段的冰生長(zhǎng)現(xiàn)象，研究了其中冰生長(zhǎng)速率和形態(tài)變化的規(guī)律，并研究了材料性質(zhì)對(duì)冰生長(zhǎng)的影響。通過(guò)理論分析得到了結(jié)冰演化

6、過(guò)程的機(jī)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(guò)Lattice Boltzmann-相場(chǎng)方法對(duì)流動(dòng)環(huán)境中冰枝的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了研究，得到冰枝在流動(dòng)環(huán)境中的生長(zhǎng)規(guī)律，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)和理論的不足。
　　3、通過(guò)理論分析研究了過(guò)冷水層中多階段結(jié)冰演化過(guò)程，包括冰在水層連續(xù)和間斷時(shí)的生長(zhǎng)階段演化理論；研究了大過(guò)冷水滴破碎和碰撞結(jié)冰過(guò)程，包括水滴破碎過(guò)程影響水滴粒徑分布和碰撞位置的理論，水滴的碰撞運(yùn)動(dòng)、非定常傳熱與影響冰表面穩(wěn)定性的理論。

7、得到了飛機(jī)上過(guò)冷水的耦合結(jié)冰演化理論。
　　4、通過(guò)飛機(jī)的二維結(jié)冰數(shù)值方法，研究并校驗(yàn)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(guò)冷結(jié)冰模型，并且同經(jīng)典Messinger結(jié)冰模型進(jìn)行結(jié)冰對(duì)比研究，得到異常結(jié)冰的特征認(rèn)識(shí)：在穩(wěn)態(tài)結(jié)冰時(shí)，過(guò)冷水中冰枝的生長(zhǎng)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(cè)更快的結(jié)冰速率和更強(qiáng)的溢流冰；在非定常結(jié)冰時(shí)，模型中結(jié)冰形態(tài)的轉(zhuǎn)換會(huì)帶來(lái)結(jié)冰速率的突變；大粒徑水滴的碰撞