● 摘要
飞机在含有过冷水滴的低温云层中飞行时，机翼表面会出现结冰现象。作为飞机主要升力部件的机翼结冰后，积冰会改变原有翼型的气动外形，增加重量，恶化机翼的气动性能，导致机翼的升力减小、阻力增大，力矩特性变差，临界迎角和阻力发散马赫数减小，稳定性和操纵性受到影响，严重危害飞机的飞行安全。因此对飞机机翼结冰进行数值模拟并对机翼结冰对其气动特性的影响进行研究具有重要意义。本文的工作分为两大部分，首先对机翼翼型表面的结冰过程进行了数值模拟。采用Lagrangian法获得水滴的撞击特性，采用考虑壁面粗糙度影响的积分边界层法计算壁面的对流换热系数，在此基础上求解Messinger结冰热力学模型，冰层始终沿壁面外法线方向生长。在每个时间步长内完成空气流场和水滴撞击特性的重新计算、求解Messinger结冰热力学模型得到冰层厚度分布以及使用动网格对壁面边界进行重构与光顺，如此循环直至所需的结冰计算时间。对NACA0012翼型在不同环境静温下生成的三种典型冰形进行了数值模拟，并与实验结果进行了比较，表明本文方法的正确性和有效性。其次分别就槽状冰、楔形冰和混合冰三种典型冰形对NACA0012翼型气动特性的影响进行了计算分析，从升阻力系数、纵向力矩系数、临界迎角、最大升阻比和阻力发散马赫数等气动特性参数可以看出：混合冰和槽状冰对翼型的气动特性危害最为严重，而楔形冰对翼型的气动特性影响不明显。