飞机旋转表面水膜流动传热结冰机理与数值模拟研究

Ice accretion on aircraft surfaces due to supercooled droplet impingement would pose severe threats to flight safety. The effects of rotation would change the airflow and droplet impingement characteristics and therefore affect the coupled mass and heat transfer process during ice accretion. Theoretical analysis and numerical simulation with experimental verification are conducted in the present work to study the runback and icing mechanics on a rotating surface and to support the engineering design of ice protection systems for blades of helicopter, rotor and engines. The present work consists of: 1) the dynamic mechanics of runback film considering the effects of rotation; 2) the ice accretion model and unsteady phase change heat transfer model considering the thermal inertia of structure; 3) the numerical model of ice accretion on rotating surfaces and experimental verification. Based on the thermal dynamic mechanics of ice accretion on rotating surfaces, the present work consists both the fundamental research of dynamics and heat transfer, and the engineering application research of icing model and imulation method. The research would meet the need of ice shape prediction on rotating surfaces, and is of significant values in both academic research and engineering applications.

过冷水滴撞击飞机表面结冰是造成飞行安全事故的主要隐患之一。当水滴撞击到旋转部件表面时，旋转作用改变了空气流动与水滴撞击特性，并使冻结过程中的流动、传热与相变耦合更为紧密。本项目采用理论分析和数值模拟为主，实验验证为辅的方法对旋转结冰过程进行系统的分析与研究，掌握旋转部件水膜流动传热结冰的基础理论，建立旋转结冰仿真模型与数值模拟方法，完善飞机结冰理论，并为直升机桨叶、螺旋桨、发动机叶片等旋转部件结冰工程问题提供科学依据与研究手段。主要研究内容有：1）旋转作用下的表面水膜流动机理与运动力学模型；2）考虑部件热惯性的结冰机理与非稳态相变传热模型；3）旋转部件结冰过程仿真模拟方法研究与实验验证。本项目的研究基于旋转结冰的物理机理，既有运动力学与传热学等基础性研究，又有结冰热力学模型与数值模拟方法等应用性研究，研究成果能够直接满足旋转部件结冰冰形预测的工程需求，具有重要的学术研究意义与工程应用价值。

过冷水滴撞击到飞机表面会产生结冰现象，严重威胁飞行安全。不同于传统飞机固定表面的结冰，旋转部件受到非惯性力的影响，其表面水膜冻结过程中的流动、传热与相变机理更为复杂。本项目采用理论分析、数学建模与仿真模拟相结合的方法对旋转结冰开展研究，分析旋转结冰机理，建立其热质传递热力学模型，完成旋转结冰冰形的预测。.本项目围绕结冰的传热传质机理与结冰热力学模型，分析了Messinger、Shallow-Water与Myers模型的热力学特性。考虑蒙皮温度随时间变化对结冰过程的影响，建立了Myers模型与蒙皮固体导热耦合的仿真方法，结果表明撞击水滴冻结释放的潜热会使蒙皮温度变化，而蒙皮的横向导热又会影响结冰特性。分析水膜流动传热相变结冰中的热质传递过程，推导建立了稳态Messinger模型以及与Shallow-Water模型相似的非稳态结冰热力学模型，开展了模型验证与比较分析，结果表明水膜的动态增长与流动会影响表面温度与结冰速率，进而决定结冰冰形，但水膜变化较为迅速，很快达到稳定，且稳定后的结冰特性与Messinger稳态模型的结果一致。.本项目围绕旋转结冰数模仿真方法，分析旋转部件受到的非惯性力影响，将固定表面结冰热力学的Messinger模型与Shallow-Water模型分别进行了扩展，加入离心力与科式力的作用来建立旋转结冰热力学模型，结合旋转流场与水滴撞击特性，分别获得了两种模型下的旋转结冰冰形。仿真结果表明旋转Messinger模型能够有效计算三维旋转部件复杂表面的结冰冰形，旋转作用使水滴撞击与结冰区域向相对迎风的表面侧移动，且旋转速度随移动距离的增大而增大。旋转Shallow-Water模型可以模拟旋转部件表面水膜的非稳态增长与流动及结冰过程，且预测的旋转结冰冰形及水膜流动特性与FENSAP-ICE软件的计算结果一致，验证了模型与方法的准确性与有效性。.此外，将所获成果进行了推广，应用于实际型号飞机的结冰分析、防除冰的仿真模型及实际系统评估中。本研究完善了飞机结冰与防除冰理论，建立的旋转结冰数值模拟方法可为直升机桨叶、螺旋桨、发动机与风力机叶片等的结冰工程问题提供科学依据与研究手段。