题目：飞行器部件积冰的数值模拟

随着航空航天技术的飞速进步和国民经济的不断发展，民用航空运输的作用越来越大，应用也越来越普遍。随之而来的安全性问题也日益得到人们的重视，其中，航空器积冰问题一直以来是人们关注的一个重点。由于计算流体力学（CFD）的不断进步，在复杂外形上求解雷诺平均Navier-Stokes方程已经成为可能，CFD技术已经成为工程应用领域与实验流体力学并列的重要技术手段。早期的积冰数值模拟大多建立在平面位势流方法或求解Euler方程的基础之上，没有考虑粘性的影响；在雨滴撞击特性的计算上，采用拉格朗日方法或欧拉方法来获得雨滴的运动特性和翼型表面的撞击特性。传统拉格朗日方法的计算量较大，效率较低；欧拉方法则需要求解两相流方程，收敛性受数值格式和计算方法的影响。在考虑受环境温度影响的积冰过程中，良好热力学模型是其中的关键。目前的热力学模型都以Messiger的控制容积法为基础，在具体分析各个热力学物理量时有所区别。在积冰的数值模拟过程中，通常将积冰的增长看作是一个准定常的过程，即认为在一定的时间段内，积冰的生长对流场的影响可以忽略。一个典型的时间段内，积冰数值模拟的步骤通常分为三个阶段：首先，应用CFD工具求解积冰对象的绕流流场；其次，求解雨滴的运动方程以获得积冰对象表面的撞击特性；最后，根据积冰生长模型来确定积冰后的外形。这一过程反复进行，直到达到所要求的积冰时间。具体而言，本文的主要研究工作集中在如下几个方面：（1）通用的、鲁棒的CFD流动解算器。通过求解可压缩粘性雷诺平均完全Navier-Stokes方程来获得积冰对象的绕流流场。为了获得较高的计算效率和可靠的计算精度，采用了成熟的JST中心差分格式配合有限体积方法来进行空间离散，并综合采用了当地时间步长、隐式残值光顺等方法来加速收敛到定常解；为了适应积冰后的不规则外形，采用了点-点对接的多块网格系统；采用了虚拟网格来进行边界条件的统一处理；在湍流模型方面，采用了Spalart-Allamas一方程湍流模型来提高解算器对分离流动的模拟能力。对流动解算器的数值实验表明，所采用的方法能够较好的模拟低亚音速条件下的流动问题，这符合通常情况下的积冰条件，对流动附面层的模拟也较为可靠，能够应用于积冰的数值模拟。（2）积冰外形对气动特性的影响。不同环境温度下的积冰外形各不相同，在低温区，通常形成单一冰角的楔形积冰，称为霜冰；而在靠近0℃的负温区间，则容易形成多冰角的复杂积冰外形，称为明冰或毛冰。在对这些积冰外形进行气动力计算时，通常霜冰类外形采用普通的单块或多块结构化网格即可完成分析计算，但对于明冰或毛冰这类复杂外形，即使多块结构化网格也很难完全满足网格生成的要求，因此发展了基于点-点对接的多块混合网格生成方法，很好的完成了复杂积冰外形的气动特性计算问题。（3）雨滴轨迹的计算和积冰对象表面的撞特性计算。在积冰的数值模拟中，雨滴的相关计算对最终结果有很大的影响，因此，对雨滴轨迹、表面撞击特性的计算应具有较高的精度。同时，传统拉格朗日方法雨滴轨迹的追踪计算效率低下，对于整个积冰数值模拟的计算时间有很大的影响。在计算效率方面，发展了一种基于“微团”概念的改进的拉格朗日方法，以减少需要跟踪计算的雨滴数量；采用当地时间步长方法，以减少单个雨滴轨迹的计算时间。这两种方法的综合使用，大大减少了积冰数值模拟总的计算时间。在计算精度方面，不再采用传统的面积插值和简单线性插值，引入了有限元方法中的等参元插值方法，大大提高了流场的插值精度，使撞击特性的计算精度得到了进一步提高。（4）受环境温度影响的积冰热力学模型的建立。不同环境下的积冰外形是不同的，因此需要考虑进热力学的影响。通过对雨滴撞击到积冰对象表面开始直到完全凝结这一物理过程的分析，建立起基于控制容积方法的热力学模型，对应于光冰和霜冰模型。通过冻结系数将由于相变作用而损失的液态水细分为蒸发和升华两部分，建立起相应的热力学分析模型，对原始的Messiger模型进行了改进。以此为基础，对NACA0012在典型积冰温度下的积冰过程进行了数值模拟。