● 摘要
高空中的过冷大水滴（Super-cooled Large Droplets, SLD, 直径>50μm）以冻雨和冻细雨的形式广泛存在，它对飞机表面的撞击结冰比常规尺度的过冷小水滴（Common Size Droplets, CSD, 直径≤50μm）的撞击结冰更复杂，危害性更大。过冷大水滴撞击结冰特性的复杂性主要表现在水滴运动过程中的变形/破碎，水滴撞击结冰表面时的飞溅和子水滴的二次撞击等，以及水滴动力学效应影响下的溢流结冰特性。
针对过冷大水滴运动和撞击结冰的复杂特性，开展了实验研究、理论研究和数值研究。实验过程中重点关注了水滴的袋状变形和破碎，对该类水滴的破碎进行了分类分析，统计了水滴的变形量和破碎时间，并进行了计算分析；通过水滴撞击干/湿表面的实验发现，水滴撞击附有薄液膜的湿表面时，容易发生飞溅，且飞溅结构和形式与水膜厚度有较大关系。
基于实验结果及对运动中液滴质点的受力分析，建立了描述液滴袋状破碎(Bag-type Breakup)和复合模式破碎(Multimode Breakup)的理论分析模型，并对模型方程进行了求解、分析和验证；计算结果与实验结果的对比表明，两种破碎模型能够较高精度的预测相应破碎类型下的液滴变形量和破碎时间。构建了描述SLD袋状破碎、复合模式破碎和剪切破碎的综合破碎理论模型，并对模型进行了初步的求解分析。计算结果表明，液滴破碎后的子水滴的运动轨迹相对原水滴的运动轨迹发生了显著偏移，造成部件表面对于水滴的收集量降低；进一步的计算表明，耦合SLD破碎模型后的水滴收集率的计算结果与实验结果更加吻合。
将LEWICE飞溅模型和FENSAP飞溅模型耦合进欧拉算法中，计算分析了SLD飞溅效应对水滴流场和翼型表面撞击特性的影响，并分析SLD飞溅模型的一般特点。基于文献中的实验结果和质量-能量守恒，推导分析了一种新的SLD飞溅模型，并对该模型作了充分的分析验证；通过不同条件下的SLD撞击特性的计算结果与实验结果的对比充分表明，该飞溅模型显著提高了计算结果和实验结果的吻合程度。
基于水滴撞击特性计算的拉格朗日法，发展了耦合SLD飞溅和飞溅子水滴二次撞击效应的水滴轨迹追踪法(Droplet Tracking Method, DTM)；DTM方法以入射水滴在部件表面的质量剩余率为基础，通过追踪飞溅子水滴的尺度和撞击位置，确定微元控制体内入射水滴的质量损失率和子水滴的质量回落率。基于DTM算法对光滑和结冰翼型进行了水滴撞击特性计算，分析了两类翼型表面水滴质量损失率和回落率的大小和分布特点；计算结果充分表明，DTM方法适用于SLD和常规尺度水滴的撞击特性计算。
基于Messinger结冰模型和已有的多步结冰计算程序，计算了耦合SLD动力学效应结冰冰形。计算和实验结果都表明，在SLD结冰中不论是明冰结冰条件，还是霜冰结冰条件都出现了显著的冰角结构；耦合了SLD动力学效应的结冰计算结果与实验结果较为吻合；随着结冰时间的增加以及冰角结构的出现，加剧了靠近冰角迎风面处的SLD变形程度，甚至导致SLD破碎；水滴发生破碎后的对部件表面的撞击力度降低，飞溅出的子水滴直径变小。