混合相/冰晶条件下的结冰研究综述

针对混合相/冰晶结冰问题，阐述了与过冷水结冰的差异及其危害。从混合相/冰晶结冰地面模拟试验设备、试验现象以及数值模拟3个方面详细论述了混合相/冰晶结冰的研究进展。其中，地面模拟试验设备以Cox冰风洞、NRC高空试验设备、NASA推进系统试验室、德国布伦瑞克冰风洞为例，总结了各自的冰晶生成方法和试验能力；分别介绍了以上4个地面模拟设备中开展的混合相/冰晶试验，分析了其试验现象的异同和产生的原因；针对混合相/冰晶结冰数值模拟中面临的4个关键问题：冰晶运动融化相变、冰晶黏附、侵蚀、结冰过程模拟，总结了现有模型和模拟方法，提出了不足之处。最后，对混合相/冰晶结冰有待进一步重点关注的研究方向进行了展望。     

航空发动机冰晶结冰适航审定要点及符合性方法研究

为深入了解航空发动机冰晶结冰现象,开展冰晶结冰适航审定要点及符合性方法研究,回顾总结了冰晶结冰事件及相关研究内容,阐述了冰晶存在环境及对航空发动机的危害性。结合适航规章要求、冰晶结冰事件及已发布的适航指令,给出了冰晶结冰适航审定的关注要点。依据当前冰晶结冰计算模拟及地面试验研究现状,提出了一种表明航空发动机冰晶结冰符合性的方法。梳理了冰晶结冰符合性研究所面临的主要问题,并对后续研究方向进行了展望。     

航空发动机冰晶结冰研究进展

飞机在高空区域巡航时可能遭遇冰晶气象，导致发动机吸入冰晶颗粒发生结冰故障，欧美等国已将冰晶结冰纳入适航 取证要求，中国也考虑在后续发动机适航取证中增加冰晶结冰考核项目。为了准确掌握国内外冰晶结冰研究现状，通过调研文 献，对比了冰晶结冰与过冷水滴结冰在结冰位置、结冰条件和结冰机理方面的区别，阐述了试验研究和数值仿真方面的重要进展， 其中，试验研究分别介绍了冰晶在静态部件和动态部件内的撞击与结冰过程，数值仿真按照空气流场计算、冰晶运动轨迹和撞击 特性计算及结冰计算的顺序，总结了欧拉法与拉格朗日法的区别、冰晶运动相变与黏附过程及结冰热物理模型，并介绍了冰晶结 冰软件在数值模拟中的广泛应用，提出了目前在冰晶碰撞、结冰热力学模型、结冰探测及风洞试验等方面需要进一步研究的内容， 以期为中国冰晶结冰研究提供参考。     

翼面结冰过程中的冰晶运动相变与黏附特性

冰晶的运动、相变、黏附现象广泛存在于航空发动机内部结冰过程中，开展相应的计算方法研究，系统分析冰晶运动相变与黏附特性是研究发动机内部结冰、保证飞行安全的迫切需求。针对冰晶运动相变及黏附特性计算，建立了拉格朗日框架下冰晶运动-传热传质耦合的数值计算方法，分析了基于Monte Carlo方法的冰晶撞击与黏附收集系数计算方法，基于NNWICE平台开发了相应的计算程序。以NACA0012翼型为对象，计算研究了扁椭球状、六角平板状和长椭球状3种非球状冰晶颗粒与球状冰晶的运动、传热传质过程，系统分析了来流温度等参数对冰晶黏附特性的影响，得到了冰晶形状对冰晶运动轨迹和融化过程的影响规律及来流总温与液态水含量/总水含量（LWC/TWC）对冰晶黏附特性的影响规律。相关工作为进一步分析混合相结冰数值模拟计算奠定了工作基础。     

二维机翼混合相结冰数值模拟

近年来冰晶引发的飞机结冰问题逐渐引起人们的重视。针对冰晶和过冷水滴同时存在的混合相结冰问题,通过数值模拟的方法实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热的计算中采用了转捩剪切应力输运（SST）湍流模型,基于欧拉法计算冰晶和水滴收集系数。在Messinger结冰热力学模型基础上进行扩展,分析了二维结冰部件表面在混合相气象条件下的传热传质过程,建立了适用于混合相的结冰热力学模型,同时考虑冰晶的黏附效应,添加黏附效率经验公式。利用FLUENT的用户自定义函数（UDF）编程求解混合相热力学模型,计算了霜冰和明冰条件下NACA0012翼型表面结冰情况,与国外风洞试验结果进行比较,验证了计算模型和方法的有效性。结果表明,冰晶黏附效应对混合相结冰量及冰形有很大影响,明冰条件结冰形状偏向楔形。     

大型结冰风洞中冰晶热/力平衡特性数值研究

为明晰大型结冰风洞中冰晶热/力平衡特性,发展了基于欧拉法的冰晶运动和传热传质耦合计算方法,模拟了典型大型结冰风洞构型内冰晶运动和传热过程,从沉降收缩、动量平衡和热平衡三个方面,考察了颗粒形状和体积密度的影响.结果表明:颗粒形状和体积密度对小尺寸冰晶的热/力平衡特性无显著影响.降低颗粒球形度和体积密度会抑制大尺寸冰晶沉降...     

基于欧拉方法的2 维翼型冰晶结冰数值计算

针对现有航空发动机冰晶结冰试验方法存在数据采集困难,且难以揭示冰晶结冰机理问题,对某楔形翼型进行冰晶结 冰数值计算。采用S-A 湍流模型获得流场结果,应用欧拉方法获得冰晶和液滴轨迹结果,基于Messinger 模型获得冰形,并以 NASA-NRC 的第139 号试验结果验证了数值方法的可行性。结果表明：在其他工况相同时,压力越低（飞行高度越高）,冰晶/ 液滴蒸 发越强烈,结冰情况越严重;分析不同液态水含量与总水含量比例（CLW/CTW）对结冰的影响可知,液态水过少或过多都不利于冰层形成。     

冰晶粒子运动过程中的相变特性

针对冰晶在温暖环境下运动时固液汽耦合的相变现象，基于欧拉法建立了冰晶粒子的运动相变模型和计算方法。计算了冰晶粒子在强迫对流环境下的融化相变过程，与实验结果对比验证了运动相变模型和计算方法的准确性。针对NACA0012翼型计算了冰晶绕流运动时的热力学特性，得到了冰晶粒子到达撞击表面时的融化状态与收集系数。研究了冰晶粒径大小、初始球形度、气流相对湿度和温度对运动相变的影响。结果表明：冰晶粒子运动相变模型可以有效地评估冰晶结冰风险，冰晶粒子的融化速率主要取决于粒子直径、球形度、气流温度、湿度等因素，环境温度为288 K时冰晶粒子的融化时间为27.5 s，而相同条件下环境温度为302 K时的融化时间仅有5.2 s。     

冰晶在涡扇发动机内相变换热特性

通过对低压压气机通道内气流参数的分析，结合冰晶的运动轨迹方程及相变传热传质方程的离散处理，计算分析了冰晶在涡扇发动机内涵通道内运动过程的粒子半径、冰晶温度、冰晶速度、冰水混合粒子中液态水质量分数、以及冰晶表面与低压压气机通道内气流的传热系数和传质系数沿压气机轴向距离的分布，得到了冰晶在低压压气机内涵通道内运动的轨迹及与叶片碰撞的特性。结果显示:20μm冰晶黏附位置处液态水质量分数为10.22%，而100μm冰晶在压气机出口处液态水质量分数仅为2.1%且不会在压气机内结冰。      

混合相态冰晶积冰的数值研究

在发动机内流的高温作用下,所吸入冰晶会部分融化为液态水,冰水混合相态条件下发动机内部表面会形成积冰,冰晶积冰会导致发动机喘振、熄火,甚至会由于冰脱落而造成内部结构损伤。为了对混合相态条件下冰晶积冰问题进行深入研究,以NACA0012翼型为对象,通过数值计算分析研究了环境温度、马赫数等参数对积冰形态、收集系数以及积冰生长率的影响,并分析了融化率对积冰过程的作用机制。结果表明:混合相结冰条件下若达到最大结冰厚度,需满足有足够的冰晶和液态水含量条件;环境温度直接影响了湿球温度变化,而随环境温度升高,液膜的厚度和润湿范围也随之增大。此外降低环境温度或增大马赫数,翼型前缘驻点处结冰量和积冰速率均有明显增加。