考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性

非平衡凝固是过冷条件下水滴凝固过程的重要现象。本文针对飞机结冰过程过冷水滴的非平衡凝固效应,发展了改进的凝固特性预测模型及数值计算方法,并自行搭建了实验系统,开展了所建过冷水滴凝固模型与数值预测方法的实验验证。研究表明,所发展的改进模型可有效表征水滴过冷阶段的非平衡凝固效应,因而对冷水滴凝固速率的预测有较好的改进;当过冷度为0℃时,过冷模型退化为传统模型。基于所建方法,开展了过冷度及冷却条件对水滴凝固特性的影响分析,获得了不同条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。研究表明,过冷度越大或水滴尺度越小,凝固速率相对越高;在考虑非平衡凝固效应的条件下,过冷水滴凝固速率要高于不考虑非平衡凝固效应的工况。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供参考。     

飞机结冰热力学行为研究综述

热力学现象是制约飞机结冰特性的重要现象之一。开展飞机结冰过程热力学行为的研究旨在深入把握结冰过程的规律特征,从而为建立科学有效的结冰防护手段、保障结冰条件下的飞行安全奠定基础。本文回顾和介绍了飞机结冰热力学研究所涉及的过冷水滴存在的物理机制、结冰热力学条件、形核与晶体生长、耦合液/固相变的复合传热传质特性,以及热力学效应作用下的结冰物理特性等相关领域的研究进展及发展现状,并基于国外相关研究的发展趋势,提出了中国未来飞机结冰热力学研究需重点关注的方向。     

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。     

晶体生长方向对亚快速凝固结晶形貌的影响

采用区域熔化定向凝固装置,对冷却速度在１３～１３０Ｋ／ｓ范围内Ｎｉ－５％Ｃｕ合金的结晶形貌研究表明：在温度梯度ＧＬ３００Ｋ／ｃｍ条件下,晶体生长速度υ为５００μｍ／ｓ时,不同结晶取向的晶粒其结晶形貌不同。以＜１００＞方向生长的晶粒为树枝晶组织;以＜１２０＞方向生长的晶粒为细胞晶组织。当υ为８００μｍ／ｓ时,不同结晶取向的细胞晶间距不同。以＜１００＞方向生长的细胞晶间距是２８μｍ;以＜２１１＞方向生长的细胞晶间距是１６. ５μｍ。相同凝固条件下,同一晶粒内不同取向的分枝,结晶形貌不同。亚快速凝固条件下,树枝晶生长的生长方向已不完全按＜１００＞方向择优取向,细胞晶生长的择优取向性被抑制。     

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。     

Al-4.5％Cu合金的过冷及凝固组织特征

对Ａｌ－４．５％Ｃｕ合金在纯石黑坩埚中用卤盐熔剂净化后的过冷度及其在金属锭模中的凝固组织特征进行了研究。实验结果发现：粘度较大的半固态熔剂对合金的净化作用较强,可使合金在金属锭模中得到６２℃的形核过冷度;金属熔体净化得到的热力学过冷度对合金形核及最终宏观组织的影响明显不同于激冷得到的动力学过冷度对其所产生的影响,在一定过冷度下,晶粒尺寸随热力学过冷度的增大而增大     

超洁净环境中三维非晶态凝固研究

采用超洁净环境对 Zr₄₁ Ti₁₄ Ni₁₀Cu_12.5 Be_22.5 合金进行电弧熔炼,在 1 0 0～ 1 50 K/s的慢速冷却条件下,成功地制备出厚度大于 1 0 mm的非晶合金。这是一种在超洁净环境中的部分无容器凝固,可以获得较大过冷度。随着熔炼过程中氧含量的增多,由于合金表面被氧化,氧化物作为异质晶核强烈促使液态合金结晶。利用红外测温方法快速检测了合金在凝固过程中非晶的形成。通过分析润湿角因子 f(θ)对合金形核与结晶过程的影响,获得了非晶态凝固所需临界冷却速率 Rc 与润湿角θ之间的关系。     

单晶高温合金固液界面形状及对凝固组织的影响

ＤＤ８单晶高温合金在高温度梯度宽变速定向凝固装置上进行了单晶定向凝固实验，并在实验基础上系统地分析了凝固条件对固液界面形状及凝固组织缺陷的影响。结果表明，提高冷却速率，限制凝固速率在特定临界速率Ｖ＊以下，可以保持平直的固液界面；当超过这一临界速率Ｖ＊时，固液界面出现下凹，下凹的间液界面将导致形成小角度晶界、显微组织疏松及发散凝固组织，高凝固速率将导致定向凝固过程的个稳定性，制造冷却速率的定向凝固装置是实现快速定向凝固的必要条件。     

快速凝固Mg-5Zn-1Y-0.6Zr合金腐蚀性能的研究

研究了快速凝固Mg-5Zn-1Y-0．6Zr合金在3．5％NaCl溶液中的腐蚀行为。利用金相显微镜、SEM观察了合金的微观组织和腐蚀形貌。结果表明,快速凝固使合金产生非晶相、晶粒细化及微观组织均匀,均对耐腐蚀性能提高起到作用。在室温下,腐蚀速率随时间先增大,随后逐渐减小。XRD分析表明腐蚀后的主要产物是Mg（OH）2。通过极化曲线测试,表明合金耐蚀性能随冷却速率的提高而改善。     

翼身融合布局与传统布局飞机结冰特性对比分析

翼身融合（BWB）布局是提升未来民机综合性能的重要布局方式，其结冰飞行安全问题逐渐受到人们重视。针对翼身融合布局飞机与常规布局飞机的结冰问题，本文通过数值模拟的方法来开展结冰特性研究。本文提出基于Navier-Stokes方程对空气流场进行求解，并应用欧拉法计算水滴撞击特性，之后采用Shallow-Water结冰热力学模型的结冰计算方法。首先，通过将翼身融合布局飞机和传统布局飞机的计算结果与风洞试验数据进行对比，验证空气流场计算的正确性，并将两者进行对比分析；其次，数值预测飞机表面冰形的特征，将两种布局飞机结冰特性进行对比，结果表明，结冰对两种布局飞机气动外形的破坏程度从后掠翼翼根至翼尖逐渐变大，但传统布局飞机结冰只发生在机翼前缘和机头处，而翼身融合布局飞机前部几乎都发生了结冰，可为相关的结冰特性研究及防除冰设计提供技术参考。     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

飞机机翼结冰计算方法与风洞试验研究概况

介绍了飞机结冰的数值计算方法,包括绕流流场计算、过冷水滴轨迹方程计算和结冰量计算,并给出冰层增长的两种模型;针对结冰风洞试验,指出液滴粒径和液态水含量的测量是试验的难点和重点,并总结上述两个结冰参数的测量方法;给出两种常规结冰缩比方法,并简单介绍混合缩比模型的设计方法。     

A spongy icing model for aircraft icing

Researches have indicated that impinging droplets can be entrapped as liquid in the ice matrix and the temperature of accreting ice surface is below the freezing point. When liquid entrapment by ice matrix happens, this kind of ice is called spongy ice. A new spongy icing model for the ice accretion problem on airfoil or aircraft has been developed to account for entrapped liquid within accreted ice and to improve the determination of the surface temperature when enter- ing clouds with supercooled droplets. Different with conventional icing model, this model identifies icing conditions in four regimes： rime, spongy without water film, spongy with water film and glaze. By using the Eulerian method based on two-phase flow theory, the impinging droplet flow was investigated numerically. The accuracy of the Eulerian method for computing the water collection efficiency was assessed, and icing shapes and surface temperature distributions predicted with this spongy icing model agree with experimental results well.     

结冰条件下的飞机飞行动力学仿真

基于飞机结冰参量模型对飞机在结冰条件下的飞行动力学特性进行了仿真研究.提出一种飞机结冰参量模型的参数计算方法,并针对一定结冰气象条件下的不同结冰时间对飞机的结冰严重程度进行了评估,基于小扰动理论对飞机结冰前和不同结冰严重程度下的纵向、横侧动稳定性以及操纵响应进行了仿真计算,根据仿真计算结果分析了不同结冰严重程度对飞机造...     

双梭型SLD探测器结冰特性研究

探头式结冰探测器为主流民航或运输类飞机所采用,其用于探测常规水滴结冰条件的技术手段已相当成熟,但探测器对于过冷大水滴(SLD)结冰条件探测和识别能力尚需探索和研究,针对具有双梭型气动外形的结冰探测器,研究其在SLD和常规水滴条件下探头表面的结冰特性,结合过冷大水滴在撞击区域、运动轨迹方面的特性分析了双梭探头构型的设计原理,采用三维结冰数值模拟软件FENSAP-ICE进行空气流场、水滴场和结冰量的数值计算,获得了不同水滴直径下探测器表面的结冰分布,研究了带攻角的典型工况下对水收集和结冰特性的影响,基于光纤传感器的探冰原理,在冰风洞试验中获取探头表面不同位置处的结冰信息,并与仿真结果进行对比,研究表明:该探头构型在SLD和常规水滴结冰条件下具有明显不同的结冰分布,可以通过探测器不同位置处的结冰情况判断是否存在SLD结冰条件。     

待机状态下机翼结冰的快速计算方法

飞机在飞行过程中遭遇结冰气象,尤其是过冷大水滴结冰条件所导致的机翼结冰,将严重影响飞机的气动性能与操纵品质,从而导致飞行故障或飞行事故,是飞机飞行安全的重要影响因素,是飞机研制中必须重点解决的难题。虽然针对结冰已建立有多种计算仿真程序,但快速获得结冰模拟冰形,包括过冷大水滴条件下的结冰模型是工程师们一直追求的解决方案。利用前向多层神经网络,尝试建立了一种针对待机状态下的机翼结冰模型。此方法基于坐标转换原理,将获取的采用直角坐标表达的标准翼型的机翼结冰数据转换为对应的极坐标表达的数据,以飞行参数、气象参数和极坐标角度作为输入,极坐标模值作为输出训练构建出此种机翼结冰模型。使用所建立的模型,仿真预测结果表明该计算方法具备快速性和精确性,其计算精度可满足实际要求。     

过冷大水滴规章对结冰探测系统设计的影响分析

过冷大水滴规章提高了飞机在结冰条件下飞行的安全等级,将会对结冰探测系统的设计产生一定影响。本文概述了附录0过冷大水滴结冰条件,并对附录O第1部分大气结冰条件进行了浅析;分析了FAR25．1420过冷大水滴结冰条件对结冰探测系统设计的影响,并提出符合相关要求的结冰探测方式;指出了对于目前申请在结冰条件下飞行的合格审定的最大起飞重量小于60000磅或具有可逆飞行控制系统的飞机,按照FAR25．1420（a）（1）的要求进行审定是一个较为合适的选择。此外,还给出了一种符合FAR25．1420要求的结冰探测系统方案。     

过冷大水滴条件下结冰相似准则

虑到中国现有结冰风洞在过冷大水滴(SLD)结冰条件模拟能力方面的局限,发展SLD结冰风洞及其相应的缩比方法迫在眉睫。研究了大水滴运动机理,并依据绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似、结冰过程热力学特性相似原理,提炼出SLD结冰条件下的6种相似缩比准则,利用结冰数值模拟软件FENSAP-ICE对所提相似缩比准则进行筛选与比较,从而基于结冰相似百分比量化判断准则找出给定条件下的最优准则法。结果表明:考虑SLD运动特性的撞击参数与ONERA法相耦合的方法以及撞击参数与Ruff法相耦合的方法的计算结果与实际成冰构型吻合良好；此外,撞击参数与ONERA法相耦合的方法在计算直径为171 μm的SLD时优于其他。