题目：飞行器积冰的数值模拟研究

伴随着航空技术的不断发展，飞行器积冰问题被人们日益重视，对飞行器积冰问题的研究也逐渐深入与全面。飞行器积冰是指飞行器在飞越低温云层区域或者富含水汽的低温空域时，在飞行器表面形成积冰的一种现象。一般情况下，飞行器积冰位置多集中在其表面比较突出的部位，比如飞机的机翼前缘、平尾与垂尾前缘、发动机进气道等，造成飞行器气动性能与操控性能受到破坏，对飞行器的飞行安全造成威胁。数值模拟方法是随着近几年计算流体力学（CFD）的发展而逐渐兴起的一种方法，通过近几年不断提出的新的算法，求解雷诺平均Navier-Stokes方程，进而得到整个物体绕流的流场信息。早期对于积冰的数值模拟一般采用平面位势流方法或者求解Euler方程，忽略了流体粘性的影响。水滴控制方程的求解也经过了早期通过拉格朗日方法跟踪水滴的运动轨迹到后期采用欧拉两相流的方法同时求解空气流场与水滴流场的发展，欧拉两相流方法具有计算效率高，收敛速度快等优势，已经被大家普遍认可与接受。积冰过程中，水滴在撞击到飞行器表面之后会有比较复杂的传热过程，因此，建立热力学模型在积冰的数值模拟过程中是最重要的环节之一。50年代由Messinger提出的经典的热力学模型，该模型根据某一单元体中的能量流量与质量流量关系分别建立了方程，后来陆续有学者对该模型进行了改进，也在此基础上提出了一些新的模型。本文在进行积冰的数值模拟过程中，首先将飞行器积冰过程离散为若干短暂时间的过程，并将每一个过程视为准定常的过程，认为在该过程中，积冰冰形的增长对于绕流流场的影响可以忽略不计；然后，采用欧拉两相流方法，分别求解绕流空气流场与水滴流场的控制方程，得出飞行器表面的水滴收集特性；第三步，通过求解热力学模型，基于已知的水滴收集特性，求得飞行器表面每个控制体单元的液态水的留存量；最后，建立一套积冰冰形增长的方法，求得飞行器表面最终的冰形。反复迭代求解，得到最终的冰形。本文具体的研究工作可归纳为以下几点：1. 飞行器绕流空气流场的求解。基于同位网格上SIMPLE算法，求解绕流空气流场的雷诺平均Navier-Stokes方程。控制方程的离散采用有限容积法，对流项的离散采用QUICK格式，调整亚松弛因子保证动量差值计算的有效和收敛。在湍流模型的选择上，采用经典 两方程湍流模型，远场边界条件采用自由来流条件，壁面上采用无滑移的壁面条件。2. 二维翼型表面明冰的数值模拟。利用网格生成软件建立了良好的二维翼型绕流流场网格，计算了流场特性。在此基础上，根据欧拉两相流原理，建立了流场中水滴控制方程，经过分布迭代求解得到翼型表面水滴收集特性。在经典Messinger热力学模型的基础上，提出了基于水膜原理的改进热力学模型，通过积冰法向生长方法计算了二维翼型明冰冰形。两种热力学模型计算结果与实验结果进行了对比，证明了方法的有效性。3. 三维机翼表面霜冰的数值模拟。在二维冰形数值模拟的基础上，将空气控制方程与水滴控制方程的维度扩展到三维，采用机翼可穿透壁面边界条件。提出了一种三维霜冰冰形的生长方法，对GLC-305机翼模型与DLR-F6翼身组合体模型进行了计算，计算结果与实验结果吻合良好。除此之外，尝试利用Fluent软件中的UDF功能进行DLR-F6翼身组合体模型水滴收集特性的计算，计算结果与加拿大FENSAP软件数值模拟结果进行了对比。4. 三维机翼表面明冰的数值模拟。尝试计算了三维机翼表面明冰的数值模拟，将原有二维改进的传热模型扩展到三维，提出了一种溢流水流向的判定方法，计算溢流水质量流向，模拟了三维GLC-305机翼模型明冰，计算结果与实验结果存在一定误差，但冰形增长趋势保持一致。