过冷大水滴动力学及其对飞机结冰的影响

直径大于40微米的过冷大水滴随气流运动以及撞击结冰的机理远比小水滴的情况复杂，各国研究人员最近非常重视此项研究，但所得结果与真实情况相去甚远。国内飞机防冰技术的发展已对此研究提出了迫切的需求。本课题以过冷大水滴为对象，从理论和实验方面研究它们随气流运动的情况，以及在撞击各类表面时的变形、破碎、飞溅和弹离机理及其对结冰的影响。侧重建立描述大水滴运动行为的数学模型及其形态转变的判断准则，定量分析大水滴撞击过程中伴随的热量和质量传递，考察运动速度、环境温度、尺寸特性、入射角度、撞击表面温度、形态等因素的影响。探索研究成果在飞机结冰及防/除冰技术等领域的应用。本课题是涉及了多相流理论、空气动力学、液滴变形及破碎理论、相变传热及航空气象学等多个学科的交叉。该研究在国际上刚刚兴起，而国内未见报道，是目前国际上航空航天及相关领域的前沿课题。

高空中的过冷大水滴（直径>50μm，SLD）以冻雨和微冻雨的形式广泛存在，它对飞机表面的撞击结冰比常规尺度的过冷小水滴（直径≤50μm，CSD）的撞击结冰更复杂，危害性更大。过冷大水滴撞击结冰特性的复杂性主要表现在水滴运动过程中的变形/破碎，水滴撞击结冰表面时的飞溅/反弹和子水滴的二次撞击等，以及水滴动力学效应影响下的溢流结冰特性。针对过冷大水滴运动和撞击结冰的复杂特性，项目执行期间开展了实验研究和数值研究。实验过程中重点关注了水滴的袋状变形和破碎，对该类水滴的破碎进行了分类分析，统计了水滴的变形长度和破碎时间，并进行了计算分析；通过水滴撞击干/湿表面的实验发现，水滴撞击附有薄液膜的湿表面时，容易发生飞溅，且飞溅结构和形式与水膜厚度有较大关系；在水滴撞击旋转帽罩表面时发现，入射水滴的大部分质量都以子水滴的形式逃逸出撞击表面；考虑到过冷大水滴动力学特性和结冰特性后续的实验研究，筹建了实验段尺寸为400mm×300mm的小型回流式冰风洞，目前该实验系统还在进一步调试中；针对过冷大水滴的变形与破碎特性并基于实验研究的结果，建立了描述大水滴变形/破碎的数学模型，对模型进行了验证分析，并将其耦合进水滴运动特性的计算中，结果表明水滴的变形/破碎使水滴对表面的撞击轨迹发生偏移，导致撞击表面水滴收集率下降；发展了过冷大水滴撞击特性的欧拉算法，并基于该算法分析了FENSAP和LEWICE飞溅模型的特点；建立了描述过冷大水滴飞溅/反弹的数学模型，并对该模型进行了验证分析，结果表明所建立的飞溅/反弹模型优于FENSAP和LEWICE飞溅模型，更能有效反映过冷大水滴撞击表面的水滴收集特性；基于拉格朗日法发展了耦合过冷大水滴飞溅/反弹及二次撞击特性的水滴收集率的水滴追踪算法（Droplet Tracking Method，DTM）；基于DTM算法对光滑和结冰翼型进行了水滴撞击特性计算，分析了两类翼型表面水滴质量损失率和回落率的大小和分布特点；针对过冷大水滴的溢流结冰特性，计算了单个控制体内溢流水对结冰特性的影响，并建立了描述结冰表面水膜特性的运动方程；开发了耦合大水滴运动和撞击特性的二维多步结冰程序和三维结冰程序；通过对过冷大水滴的二维和三维的结冰计算结果的分析表明，所开发的二维多步结冰程序能够实现过冷大水滴结冰冰形一定精度的模拟；过冷大水滴的动力学效应对机翼的三维结冰冰形影响较大。