复杂气流环境下的过冷大水滴相变模型与结冰过程机理分析

The freezing of supercooled large droplets (SLDs) significantly reduces the flight efficiency and safety, and the understanding of the freezing mechanism of SLDs is vital for developing a fast and accurate icing prediction method. Currently, the investigation of SLDs freezing mechanism considers that the airflow is static or has low speed, which ignores the influence of the ambient aerodynamics on the freezing process. In addition, the icing models and numerical methods of SLDs lack the versatility, accuracy and physical rationality. In this project, we develop a phase-change model based on the interface-interaction method to precisely resolve the underlying physical mechanism of the SLDs freezing. By coupling this new icing model and a multiphase numerical method, we propose a SLDs icing computation framework which is used to perform numerical simulations to study the effect of different parameters, such as the inflow speed, the cold wall temperature and the surface contact angle, on the freezing rate and ice shape. The research results of this project are useful to properly understand the SLDs freezing mechanism in the complex flow field, which guides the design and optimization of the aircraft deicing device.

过冷大水滴结冰严重影响着飞行效率和安全，对其结冰机理的研究有助于建立快速准确的结冰预测方法。目前过冷大水滴的结冰机理研究一般考虑静止气流或者很低速度的气流，所以忽略了环境气流对结冰过程的影响。另外对于过冷大水滴的物理建模和数值方法在通用性、精确性和物理合理性方面存在明显的缺陷。本项目发展了一种基于界面相互作用方法的结冰模型来精确地解析过冷大水滴结冰过程中的物理机制。将该结冰模型与一种多相流数值计算方法相耦合，本项目搭建了一个适合模拟过冷大水滴结冰的数值计算平台。通过数值模拟，研究不同来流参数、冷壁温度和表面接触角大小对复杂来流中过冷大水滴结冰速率和成冰外形的影响。本项目的研究成果有助于更准确地理解飞机表面复杂流场中过冷大水滴的结冰机理，从而为飞机防结冰装置的设计和优化提供理论依据。

过冷大水滴撞击到飞机表面会发生结冰，是造成飞机飞行安全问题的威胁之一。由于该问题包含较多空间时间尺度且蕴含多种物理现象，所以采用数值模拟相比于理论分析和实验测量可以获得更加详细的水滴内部细节演化，也更有利于分析结冰机理。本项目针对现有过冷大水滴的物理模型和数值方法在通用性、精确性和物理合理性方面存在的缺陷，开展了机翼表面复杂流场环境下的过冷大水滴结冰过程的物理建模、数值方法和数值模拟等方面的研究。首先，本项目提出了一种创新的守恒水平集方法来捕捉多相流中的物质界面演化，相比其他守恒水平集方法其具备保距离函数性质、高效率和高鲁棒性等优点，并基于此发展了一种高效率的清晰界面多相流模拟方法，非常适合求解过冷水滴变形和结冰问题中的动态界面和多相流。然后，基于界面相互作用方法发展了一种能保持热力学一致性的守恒相变模型，并提出一种新型近似四波黎曼求解器来快速鲁棒地求解该相变模型。另外，该模型进一步被推广到液滴结冰的液固相变情形。通过液滴蒸发、凝结和结冰等问题验证了该模型的通用性、精确性和物理合理性，并发现其与结冰过程的理论或实验值具有很好的吻合性。最后，本项目基于提出的界面捕捉算法、相变模型和多相流模拟方法发展了一套可以高效精确预测过冷大水滴在复杂环境下结冰过程的数值模拟程序，并采用其对不同来流参数、冷壁温度、表面接触角大小和壁面外形等下的过冷大水滴结冰机理进行了数值模拟研究。模拟结果厘清了不同环境因素对水滴结冰过程的影响规律，并总结出了结冰速率与来流速度和壁面温度等之间的经验关系式和标度律，可为飞机防除冰装置设计和优化提供理论支持。