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飞机异常结冰中的SLD撞击流动耦合结冰机理研究

孙明明  
【摘要】:飞机结冰是飞机安全飞行的严重威胁之一。近年来,过冷大水滴(Supercooled Large Droplet,以下简称SLD)导致的飞机结冰事故不断增多,过冷大水滴撞击飞机表面后形成的异常溢流脊状冰会破坏飞机的气动外形,使得飞机的升力降低、阻力升高,严重危害飞机的安全飞行。但现有的SLD结冰机理认识并不充分,无法有效解释SLD产生异常溢流冰的机制,也难以支持SLD条件下飞机防除冰技术的发展。虽然在2014年FAA就已经发布了新适航条款,但现有的冰风洞试验还未能实现可靠的SLD结冰环境,同时数值模拟技术方面也主要考虑的是动力学对水滴收集率的影响,并无有效的SLD防冰手段。在现有的SLD机理认识上,飞机溢流结冰研究并未考虑过冷水结冰的成核及冰演化规律,且过冷水的成核与结冰研究也很少在SLD撞击条件下开展。而实际上,SLD溢流结冰是撞击流动与结冰的耦合结果。因此,本文针对撞击条件下的过冷水滴结冰过程来开展研究,以揭示SLD溢流结冰的产生机理。本文设计实验研究了单过冷水滴撞击壁面后的结冰过程,通过水滴撞击水平壁面后的摊铺结冰和水滴撞击倾斜壁面后的流动结冰的机理试验研究,分析了水滴撞击流动与成核冰生长的耦合作用,进而对水滴溢流结冰现象进行了理论分析。通过机理实验研究,本文发现了不同于之前研究的过冷水滴冻结现象。过冷水滴撞击水平壁面后,除了之前发现的椭球状、圆盘状、凹陷状的冻结形态,本文还发现了荷包蛋状和不规则状,分别出现在冰枝垂直生长速度缓慢以及冰枝水平生长速度慢于水滴回缩速度的情况下。而过冷水滴撞击倾斜壁面后的冻结形态则与常温水滴撞击倾斜壁面后的结冰形态(以两个分水滴冻结)并不相同,水滴会出现椭圆状和细长条状的冻结形状。随着成核时间的增加以及冰枝生长速度的降低,水滴的冻结形态会从椭圆状逐渐向细长条状转化。研究发现了由成核时间与冰生长速度共同决定的不同的SLD撞击结冰模式:当冰枝水平生长速度比水层流动速度快时,水滴的冻结是由成核时间主导的;当冰枝生长速度远低于水层流动速度时,水滴的冻结是由冰生长速度决定的。随着成核时间的增加,倾斜壁面上的过冷大水滴的撞击结冰模式会转化为长距离溢流状态,特别是在风力驱动且水量充足的情况下。基于水滴撞击动力学与成核冰生长的耦合作用,本文提出了过冷大水滴撞击流动耦合结冰理论模型,并且讨论了实际情况下的飞机机翼表面异常溢流冰。即在过冷度低的情况下,水滴的成核时间长、冰生长速度慢,水滴持续不断的向下流动,容易在飞机除冰装置后部累积形成溢流脊状冰,严重危害飞机的安全飞行。以上关于SLD撞击流动耦合结冰的研究讨论,对结冰环境的预测以及飞机表面防除冰系统的设计都有十分重要的意义。


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