基于POD和代理模型的热气防冰性能预测方法

大型客机机翼、短舱多采用热气防冰作为主要防冰策略。为了缩短热气防冰系统优化设计周期，提出了基于本征正交分解和代理模型的防冰性能快速预测方法。采用本征正交分解对数值仿真积累的温度和溢流水快照进行特征分析，选取包含绝大部分样本特征的基模态线性拟合所有快照；基于支持向量机回归方法建立笛形管结构参数与线性拟合系数间的代理模型，实现对热气防冰蒙皮外表面温度分布和溢流水分布的快速预测。针对三维缝翼笛形管热气防冰系统开展的验证表明：该方法对防冰表面温度分布的预测效果较好，并能够较为准确地预测水滴撞击区域内的溢流水分布；建立的预测方法计算成本较数值计算方法大幅降低，对于热气防冰系统优化设计工作具有重要意义。     

防除冰过程中的传热传质特性（英文）

通过数值模拟和实验研究了抑制冰形成的两种方法：被动的表面功能化和主动的超声振动技术。由于表面凸起的宏观结构能在液滴扩展和收缩过程中改变其形状，因此液滴撞击具有立方体、单个和交叉三角脊以及悬空棱镜等宏观结构的超疏水表面时的接触时间可以有效降低。受到超声振动的基板会形成非线性的等效剪切应力分布，从而导致撞击液滴出现不同的动力学模式，并提高了除冰性能。研究揭示了表面宏观结构和超声振动技术对抗冰和除冰的有效性，为设计和优化抗冰/除冰系统提供了潜在方法。     

基于AMESim的热气防冰系统笛形管设计与仿真

笛形管是飞机热气防冰系统的重要组成部分，笛形管上的孔径、孔间距以及笛形管的引气入口参数决定了防冰供气流量的大小及分配，从而影响防冰性能。本文基于多学科系统建模仿真平台AMESim，建立了笛形管流量分配仿真分析模型，对机翼热气防冰系统笛形管结构参数进行迭代设计。设计参数包括笛形管管径、喷孔孔径及孔间距等参数，最终获得了能够平衡设计状态点防冰热载荷的结构参数和引气流量分配，得到了防冰系统的引气压力制度。本文提出的基于AMESim的笛形管迭代设计方法可为热气防冰系统中笛形管的设计与优化提供参考。     

民机起落架机构破冰动力学仿真分析方法

民机在遭遇降雪、降霜、冻雨等极端气候条件时，运动机构有可能附着冰层，当积冰达到一定程度，便可能影响到机构的正常运动。为研究起落架机构在上述极端气候条件下的环境适应能力，基于ADAMS建立民机起落架多体动力学模型，考虑重力、冰层黏滞力、摩擦力对机构运动的影响，仿真分析了不同温度、不同冰型下的起落架机构的驱动力矩。研究发现，常温无冰工况下，起落架收放动作受重力影响最大；当在环境温度-25℃左右形成冻结冰时，起落架所需破冰驱动力矩最大；起落架发生结冰（冻结冰或撞击冰），破除冰层所需驱动力矩数值的分散性很大；起落架严重积冰时，仅靠驱动无法实现破冰，需进行除冰作业。本文建立起落架多工况破冰动力学模型的建模流程具有很好的移植性，可推广到其他机构的破冰动力学仿真。     

等离子体激励与电加热式防冰性能对比

飞机结冰威胁飞行安全，针对这一问题，通过记录结冰动态过程及测量表面温度变化对比研究了布置在NACA0012翼型上的等离子体激励、电阻丝电热及石墨烯电热在结冰风洞中的防冰性能。结果表明：在输入功率相同的情况下，等离子体激励和石墨烯电热均能有效地实现防冰，而电阻丝电热在无热源区域无法完全预防结冰。红外测量结果表明：石墨烯电热膜加热后表面最高温度低于其他2种方法。然而，由于其均匀的加热特性，整个加热表面的最低温度保持在0℃以上，足以防止结冰。对于等离子体激励和电阻丝电热，二者表面的温度分布具有不均匀性，通过散热性能对比，等离子体激励要高于电阻丝电热。等离子体激励通过在近壁面气体放电直接加热激励器周围的来流冷空气与过冷水滴，而电阻丝加热对绝缘介质的热传导性能差，无法有效增加周围热量致使容易在无热源区域结冰。     

基于动态小波指纹的冰孔隙率测量方法研究（英文）

针对飞机结冰情况下的冰孔隙率测量问题，提出并评估了一种基于动态小波指纹技术的超声波孔隙率测量方法。通过理论模型和有限元仿真分析了超声纵波的传播过程，阐述了孔隙大小等因素对孔隙率测量的影响机理。结合20块冰样品的60组超声波测量数据，生成了小波指纹图像，并提取了11维关键特征。基于主成分分析和多项式拟合，所实现的孔隙率测量均方根误差（Root mean square error, RMSE）达到1.144%，说明本文方法比传统的峰值拟合方法更稳定、准确。     

结冰与金属表面分离过程的数值模拟与实验研究（英文）

通过研究结冰与物体表面粘结特性，掌握它们之间的分离过程对优化除冰方案具有重要意义。当前研究较多的开展了基于纳米尺度的结冰分离，但其研究内容与真实宏观状态结冰分离过程相差较远，有必要研究宏观尺度的结冰分离过程。本文设计并搭建了用于测试法向和切向结冰粘结力的试验台，在不同温度下展开实验并获得了结冰冰柱与金属表面的法向和切向粘结力。引入宏观的结冰分离机制，引入粘结单元层本构模型，在Abaqus中空对结冰与金属表面分离过程进行数值模拟。通过对比数值模拟和实验验证结果，深入的了解了结冰粘结特性并实现了结冰与金属平面分离过程数值模拟。     

新型电热结构防除冰性能研究（英文）

创新性地开发机翼电热防/除冰系统仍然是航空航天领域面临的巨大挑战，提高电热防/除冰系统的能量利用率受到了防除冰领域专家的广泛关注。本文创新性地设计了一种多孔电热防除冰结构，多孔基体通过模板法制备得到。电热结构从上至下由绝缘涂层、导电层、电热层和隔热层组成。研究了导电银浆层厚度及导电液含量在不同功率下绝缘层和隔热层的温度变化。结果表明，室温条件下，当输入功率为4 W、银浆层厚度为300μm时，绝缘层的温度最高可达134℃。在-20℃的冰脱落实验中，发现当输入功率为18 W时，顶层温度可快速达到0℃，而底层温度维持在-12.5℃左右，能量损失较少。本文可为电热防除冰材料体系的设计提供理论指导。     

涡轮动叶部分吸力侧肩壁凹槽状叶顶气热和冷却性能研究

为了获取高性能的燃气涡轮动叶叶顶结构和气膜冷却布局，采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 方程和标准 湍流模型的方法研究了涡轮动叶部分吸力侧肩壁的凹槽状叶顶气热和冷却性能。数值模拟得到的动叶平叶顶传热系数与实验数据吻合良好，验证了数值方法的准确性。对比0.95吹风比时动叶凹槽状叶顶沿中弧线和近压力侧布置的2种气膜冷却布局的叶顶泄漏流动形态、传热系数和气膜冷却有效度，指出近压力侧的气膜冷却布局B的总压损失大于沿中弧线的气膜冷却布局A；但近压力侧的气膜冷却布局B具有更好的冷却效果。基于近压力侧气膜冷却布局的凹槽状叶顶结构，通过切除尾缘处不同轴向长度的吸力侧肩壁，设计了5种不同的部分吸力侧肩壁的叶顶结构。结果表明：切除10%吸力侧肩壁的Case 7能有效降低总压损失，平均总压损失系数相比完整肩壁的Case 2降低了6.3%；叶顶净热流密度减少和传热系数分布与Case 2基本相同，尾缘处的冷却效率因冷气受到压制附着于叶顶而提高。     

基于电加热膜防冰设计方案的分流环表面换热特性试验研究

分流环表面换热特性对提升防冰设计效能至关重要。针对传统热气防冰方案中试验件与试验方案系统复杂、成本高昂等问题，本文提出了一种新型电加热膜防冰设计方案的分流环表面换热系数的试验方法。根据能量守恒定律，推导出分流环表面换热系数理论公式。试验研究了不同俯仰角、速度、液态水含量（Liqid water content,LWC）以及水滴中位体积直径（Median volumetric diameter, MVD）等对分流环表面换热特性的影响。试验结果表明：前缘区域换热系数随俯仰角先增大后降低，25°俯仰角是明显的转折点；相同喷雾条件下的前缘区域、下表面区域的平均换热系数约是干空气条件下的3倍；分流环前缘的换热系数明显大于上、下表面的换热系数。