飞机结冰的多孔介质模型及其应力传递特性研究

There are three ices such as rime ice, glaze ice and mixed ice on the surface of aircraft during icing weather condition. It belongs to a special porous material including solid frame and air hole. It is significant for aircraft icing mechanism and flight safety to study heat transfer and stress transfer characteristics in the ice layer. Based on the porous media theory, the complex micro structure of ice layer is explored under the icing condition. The theoretical analysis, calculation and experiment are combined in the study. The model of porous media is established for the ice layer on the surface of aircraft. The stress transfer characteristics in the ice layer are revealed under the thermal/mechanical load and their coupling condition. It provides a theoretical basis and technical support for the research of aircraft de-icing mechanism.

结冰气象条件下飞机表面所结的冰主要分为霜冰、明冰和混合冰三种，其实质上属于由固体骨架和空气孔隙组成的特殊多孔介质材料，研究其中的热量与应力传递对于飞机结冰机理和飞行安全具有重要的意义。本课题基于多孔介质理论，以探索结冰气象条件下飞机表面冰复杂微观结构为出发点，采用理论分析、计算和实验相结合的手段，建立了飞机表面冰层的多孔介质模型，揭示了热/力载荷及其耦合作用下冰层内部的应力传递规律，为飞机除冰机理的研究提供了理论基础和技术支撑。

结冰气象条件下飞机表面所结的冰主要分霜冰、明冰和混合冰，这三种冰的物理结构相差很大，研究热量与应力在冰层内部的传递对于飞机除冰机理和飞行安全具有重要意义。本课题采用理论分析、计算和实验相结合的手段，以探索结冰气象条件下飞机表面冰微观结构为出发点。①建立了冰层内部微观结构的光学显微实验装置，获得了不同结冰气象条件下冰层微观图像，提取了微观图像的形状特征，计算了孔隙面积、孔隙周长、孔隙半径、孔隙率等参数。研究发现，冰层内部存在不同尺寸、密度和分布特征的气泡，是典型的多孔介质结构。②采用随机理论建立了孔隙均匀分布的多孔介质模型，建立了基于多孔介质模型的密度和导热系数等计算方法，获得了不同结冰气象参数下冰层的有效密度和有效导热系数。③基于结冰风洞实验段研制了冰与固壁间剪切应力测量装置和实验模型，开展了冰与固壁间剪切应力的测量，建立了相应的计算模型，获得了不同冰层的剪切应力变化规律。研究发现，明冰的剪切应力较大、霜冰的剪切应力较小。④开展了冰与固壁间剪切应力的参数影响研究，获得了结冰环境温度、平均水滴直径等参数对冰与固壁间剪切应力的影响规律。研究发现，冰层内部的孔隙是影响剪切应力的关键因素。来流速度越大，冰与固壁间剪切应力就越大。结冰环境温度-15℃和-10℃间出现了剪切应力极大值。平均水滴直径35μm附近出现了剪切应力极小值。⑤建立了热/力耦合作用下翼型前缘冰层应力计算模型，获得了空气动力和蒙皮加热对冰层黏附界面应力的影响规律。研究发现，黏附界面的耦合应力和冰层内部的主应力随着热流密度的增大而增大，很容易超过黏附强度，这是造成冰破坏的关键因素。通过建立飞机表面冰层的多孔介质模型，揭示了热/力载荷及其耦合作用下冰层内部的应力传递规律，为飞机除冰机理的研究提供了理论基础和技术支撑。发表论文23篇，其中期刊论文11篇，SCI/EI收录9篇。申请国家发明和实用新型专利9项，其中发明专利5个。