基于分形的飞机低空结冰增长模型的构建与实验验证

飞机低空结冰给防冰/除冰工作带来极大困难，对飞行安全威胁最大。飞机结冰增长具有明显的分形特征，这一特征导致冰晶内部存在很多气穴，使得冰晶的总体密度随含气量的变化而变化，进而导致无法准确计算结冰体积，更难以跟踪冰晶界面的变化。冰晶的分形特征同时给数值模拟过程中的网格划分带来严重困难，进而影响对飞机气动性能变化的准确预测。基于上述认识，本项目拟构建分形增长模型模拟飞机低空结冰增长过程，解决结冰的"变密度"问题；拟采用无网格法进行数值模拟，解决网格难以划分的问题。这两个难点问题的解决有助于提高对飞机结冰增长过程物理本质的认识，对提高飞机防冰/除冰效率，增强飞行安全有重要的理论指导意义。飞机结冰是冰晶在非平衡流场条件下的结晶过程，是空气动力学和凝聚态物理两个学科的交叉点，相关成果无疑也有重要的科学价值。项目最后将用风洞试验验证上述分形增长模型。

本报告为民航联合基金项目《基于分形的飞机低空结冰增长模型的构建与实验验证》（项目批准号：60979015）的结题报告。本报告从飞机低空结冰问题出发，梳理总结了基于分形增长假设的飞机结冰的相关工作和工作中发现的问题。在项目进行过程中，项目团队提出一种直冷式微型结冰风洞设计用于实验验证。这种新的结冰方法没有采用传统结冰风洞中复杂的冷却系统，而是采用低温氮气直接冷却的方式冷却试验气流，从而可以大大简化结冰风洞设计，降低结冰风洞内的流动阻力，节省运营和建造费用。相关设计方法已经正式申请专利并被受理。用这种方法设计的风洞对飞机低空结冰问题进行了大量试验，使得项目组对飞机结冰问题有了更深刻的认识，并发现一些新的现象和机理。在本项目支持下，我们在韩国举办的“2012亚太航空技术交流会（APISAT2012）”国际会议上发表并宣读了1篇论文，同时用本儿项目经费带了2名本科生的毕业设计。