题目：飞行器机翼积冰的数值模拟

飞行器在飞行过程中，云层中的过冷水滴撞击在机翼表面，会发生积冰现象。积冰是威胁飞行器飞行安全的主要气象因素之一。不同的结冰条件下会形成不同的积冰。当环境温度较低时，过冷水滴在撞击机翼表面后迅速冻结，所形成的积冰不透明且形状较为规则，称为霜冰；当环境温度相对较高时，过冷水滴在撞击机翼表面后不会完全冻结，未冻结的部分在气流的带动下沿机翼表面回流，在回流过程中逐渐冻结，所形成的积冰透明且形状不规则，称为明冰。飞行器机翼积冰问题的研究，通常采用飞行测试、风洞实验、工程算法和数值模拟等方法。其中，数值模拟由于对设备的依赖性较低、资金需求少、周期短、计算结果准确，因此得到了广泛的应用。在机翼积冰的数值模拟研究中，通常将现实中非定常、动态耦合的积冰过程看作是一个准定常的过程，认为在一定的积冰时间段内，空气绕流流场的流动特性不受积冰外形变化的影响，当新的冰层外形形成之后，再重新确定空气绕流流场，基本的研究步骤为：（1）求解空气流体的控制方程以得到飞行器机翼的绕流流场；（2）基于空气绕流流场速度分布，计算水滴的运动轨迹，进而得到机翼表面的水滴收集特性；（3）采用适当的积冰模型计算机翼表面的积冰量，由此进行积冰外形的生成。上述三个步骤需要依次反复迭代，直到积冰时间结束。积冰问题的数值模拟中，过冷水滴运动轨迹的计算主要基于两种方法：拉格朗日法和欧拉两相流法。拉格朗日法通过求解单个水滴的运动方程得到水滴的运动轨迹，而欧拉两相流法则是将水滴视为与空气相互渗透的拟流体，通过求解水滴控制方程得到全流场水滴的信息。由于欧拉两相流法在三维积冰的数值模拟中具有一定的优势，因此本文采用欧拉两相流法对水滴运动轨迹进行数值求解。积冰模型按照是否考虑了过冷水滴凝结过程中的热力学效应通常可以分为积冰热力学模型和霜冰模型两大类，两类模型所针对的积冰环境温度范围不同。本文在对明冰和霜冰的数值模拟中，分别采用上述两种模型对飞行器表面的积冰量进行计算。本文的主要研究工作可归纳如下：1. 空气绕流流场的解算器。编写了基于同位网格上SIMPLE算法的求解空气绕流流场的计算程序，使用有限容积法离散控制方程，对流项离散采用QUICK格式的延迟修正；利用动量插值构建压力修正值方程以克服速度与压力的失耦；湍流模拟采用 两方程模型，并使用壁面函数对近壁区进行处理。2. 二维翼型表面霜冰的数值模拟。基于欧拉两相流理论，建立水滴控制方程；提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击，通过求解水滴控制方程得到翼型表面的水滴收集特性；利用冰层时间推进法模拟积冰过程，采用霜冰模型计算翼型表面的积冰量，使用积冰法向生长假设进行积冰外形的生成；对NACA 0012翼型在不同迎角下霜冰的积冰情况进行了数值预测，并分析了各种结冰条件对积冰的影响以及积冰对翼型表面压力分布的影响。3. 二维翼型表面明冰的数值模拟。在霜冰数值模拟的基础上，利用等效沙粒粗糙高度模拟结冰表面的粗糙度，采用考虑了粗糙度影响的边界层积分法求解结冰表面的对流换热特性；在结冰表面的控制体内通过联立求解积冰热力学模型的质量平衡方程和热平衡方程得到结冰控制体的积冰量；对NACA 0012翼型在不同环境温度下的明冰冰形进行了预测，并对数值预测结果进行了分析。4. 三维机翼表面霜冰的数值模拟。利用欧拉两相流法对三维空间中过冷水滴的运动轨迹进行计算，将本文提出的可穿透型壁面边界推广到三维情况，由三维水滴流场的计算结果得到机翼表面的水滴收集特性；提出一种三维积冰外形的生成方法；对ONERA M6机翼在不同迎角下的积冰情况进行了数值预测，并分析了三维情况下结冰条件对积冰的影响。