民用航空涡扇发动机进气系统结冰高空模拟试验技术要求研究

高空模拟试验是民用航空发动机适航取证的符合性验证手段之一。基于中国民航规章CCAR-33部33.68条款“进气系统结冰”的要求，对进气系统结冰高空模拟试验验证开展研究，以表明符合性。本文提出了进气系统的结冰试验点的选取方法、分析了试验的流程、明确了试验结果评估方法，并针对试验设备提出了高空舱、测试装置和试验设备配备要求，介绍了典型符合性验证案例。本研究可为国内民用航空发动机开展进气系统结冰适航符合性验证工作提供技术支持。     

超疏水/电热协同防/除冰策略在冰风洞中的实验研究（英文）

无人机结冰严重威胁飞行安全。无人机可供能量不足，因此需要一种节能的结冰防护策略。本文以一种内嵌电热膜与外喷涂超疏水涂层（Super-hydrophobic coating and embedded electro-thermal film, SHS-EET）的一体化玻璃纤维复合翼型为研究对象，采用比例积分微分法（Proportional integral derivative,PID）调节表面温度和加热功率。在结冰风洞中开展试验验证了该策略的防/除冰性能。结果表明，没有热源的超疏水涂层不能避免积冰的形成。此外，SHS-EET策略下除冰时间缩短了64.6%，能耗降低了72.3%。当表面温度低于10℃时，SHS-EET实现了干防冰效果，对比电热膜布置在蒙皮内表面的玻璃纤维复合翼型（Fiberglass airfoil with underground electro-thermal film, FG-UET）只能实现湿防冰效果，能耗降低了27.5%。混合防/除冰策略有利于无人机结冰防护系统的发展。     

不同云微物理方案对飞机结冰气象条件预测评估分析（英文）

飞行安全在复杂气象条件下易受结冰影响而受到威胁。能够结合地形特征并准确预测结冰气象条件是保障飞行安全的重要因素。本文利用中尺度天气预报模型模式，以4种不同的云微物理方案组合对美国华盛顿山地区的两次结冰事件进行了数值模拟。结果表明：预测的液态水含量和温度与现有文献匹配较好，而Morrison方案组合在误差分析中表现最佳。此外，讨论了水平分辨率和云微物理方案对液态水含量和云中液滴平均有效直径预测的敏感性。由于地形所引起的垂直运动是产生云水的主要动因，较高的水平分辨率能够做出更为准确的预测。最后利用IC指数对结冰强度进行了分析，表明结冰严重程度具有明显的时空多变特性，以及对云微物理方案的敏感性。本文工作有望加强对云微物理方案的理解和认识，并为选择适合的云微物理方案进行结冰天气预测提供了依据。     

带冰翼型失速分离流动数值模拟和模态分析

为了对防除冰问题进行精细化模拟和对带冰机翼进行全局稳定性分析，采用改进延迟脱体涡模拟（improve delayed detached-eddy simulation, IDDES）方法，对GLC305翼型带944号冰形表面复杂流动进行了非定常模拟。基于此，分别采用本征正交分解方法（proper orthogonal decomposition, POD）和动态模态分解方法（dynamic mode decomposition,DMD）对模拟结果进行模态分析，以提取影响流动分离的主要模态，最后对流场进行重构。结果表明，IDDES方法准确预测了翼型升力系数和冰角下游的压力平台等特征，清晰地捕捉了冰角后剪切层失稳脱落形成的涡结构及在向下游流动中涡结构合并、破碎的发展过程。基于IDDES获得的非定常数据，POD方法识别出角冰诱导剪切层中的两种典型脉动频率，且在前几阶主要模态中均存在，意味着这两种脉动模式对流动的主导作用。另外，DMD方法得到的每个模态对应单一的频率和放大率，部分模态处于发散状态，这是导致流动不稳定发生的主要机制。研究还发现POD和DMD主要模态的能量序列均从翼型中部开始，这与...     

飞机防冰除冰技术的研究进展

结冰会影响飞机的气动性能，严重威胁飞行安全，防止或消除飞机关键部位的结冰尤为重要。首先总结了飞机结冰的主要原因以及冰的类型，对目前广泛采用的多种飞机防冰除冰技术的工作原理及优缺点进行了比较和分析，然后介绍了相关技术的国内外研究现状。在此基础上，重点阐述了两种新型防冰除冰技术——超疏水表面以及等离子体驱动器的防冰除冰机理以及探索性的研究成果。与传统的防冰除冰技术相比，两种新型防冰除冰技术更加绿色环保，能耗更低。     

飞机结冰中水滴撞击特性的欧拉法准确性分析

过冷水滴撞击特性计算是飞机结冰冰形预测与防除冰系统性能分析的基础，常用方法为欧拉法与拉格朗日法，2种方法的结果通常是一致的，但在某些部件上会出现差异。通过对欧拉法与拉格朗日法进行比较，分析2种方法结果的异同，进而讨论欧拉法对于飞机结冰中水滴撞击特性计算的准确性。以NACA 0012翼型、冰风洞风道、S形进气道与发动机气膜帽罩为对象，采用欧拉法与拉格朗日法计算获得水滴运动及局部水收集系数。结果表明：当水滴运动未受到上游效应影响时，欧拉法与拉格朗日法的结果一致；当水滴发生偏转后，欧拉法速度的单一性使水滴流线不能相交，而拉格朗日法能捕捉水滴轨迹的交叉，导致2种方法的预测产生差异，且欧拉法结果与水滴不碰撞及聚并的假设存在冲突；水滴在上游部件空气绕流或气流吹袭作用下都会发生偏转，使得欧拉法与拉格朗日法得到的下游表面水收集系数不相符，欧拉法对于S形进气道与发动机气膜帽罩的水滴运动及撞击特性计算存在误差。研究成果对飞机结冰冰形的准确预测及防除冰系统的设计有重要参考价值。     

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。     

复杂气象条件下考虑结冰风险的无人机飞行策略

为解决无人机在复杂气象条件下易受结冰影响而威胁其飞行安全的问题，提出了一种考虑结冰风险的无人机航迹规划方法。首先，构建基于中尺度WRF (Weather Research and Forecasting)模式的结冰气象预测模型，通过最佳参数化方案组合的结冰气象模拟获得模拟时段内海南乐东地区的温度、压力、液态水含量（LWC）空间分布及时序变化。其次，构建基于代理模型的水滴收集质量快速预测方法。在获取美国联邦航空条例（FAR）25部附录C中连续最大结冰条件下40个采样点处水滴收集质量分布的基础上，利用本征正交分解（POD）降阶模型和Kriging插值算法，建立温度、压力、LWC、平均有效水滴直径（MVD）等结冰气象参数与水滴收集质量之间的代理模型，可快速预测出目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化。最后，根据飞机结冰强度划分等级，以不同结冰强度下水滴收集质量阈值为结冰安全约束，利用基于粒子群优化（PSO）的结冰容限航迹规划方法进行考虑结冰风险的无人机飞行策略研究。研究结果表明：利用WRF模式可获得温度、压力、LWC等结冰气象参数，预测值与观测值匹配良好；基于POD降阶模型和Krigin...     

基于多模态融合的任意对称翼型结冰预测方法

为解决目前绝大多数神经网络冰形预测方法只能针对特定翼型且不具备面向多翼型特征的普适性的问题，采用基于多模态融合的深度神经网络方法，以翼型截面图像与结冰工况参数作为输入，以二维冰形曲线傅里叶级数拟合参数作为输出，建立深度神经网络预测模型，实现了对任意对称翼型结冰特征的预测能力。结果表明：提出的模型可以准确地预测任意对称翼型几何特征条件下的结冰外形，冰形面积与最大冰厚等冰形主要参数预测误差均保持在10%以下。     

一种使用BP神经网络加速的蒙特卡洛拉格朗日水滴求解器（英文）

结冰可能威胁飞行安全。拉格朗日方法被广泛应用于求解结冰过程中的水收集系数,但是其发展受到鲁棒性问题和高计算成本限制。为了弥补拉格朗日方法的缺陷,使用蒙特卡洛积分法和反向传播(Backpropagation, BP)神经网络分别用于解决鲁棒性问题和降低计算成本。基于蒙特卡洛方法的拉格朗日求解器可实现对任意模型或计算条件的无条件稳定。构建了BP神经网络用于预测水滴撞击概率,通过筛除非撞击水滴减少计算量。BP神经网络不针对特定模型提前训练,使用异步并行策略使BP神经网络训练和水滴运动同时求解,建立了广泛适用的异步拉格朗日求解器。使用GLC-305后掠三维翼型和某型发动机短舱模型对求解器进行验证,结果显示BP神经网络可以有效提升计算效率,对比没有神经网络辅助最多节省27%运行时间,同时保有同等计算精确度。本文研究为首次尝试神经网络技术与结冰数值模拟融合,为进一步发展拉格朗日方法提供有力支撑。