《過冷大水滴動力學及其對飛機結凍的影響》是依託北京航空航天大學，由常士楠擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：過冷大水滴動力學及其對飛機結凍的影響
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：常士楠
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
直徑大於40微米的過冷大水滴隨氣流運動以及撞擊結凍的機理遠比小水滴的情況複雜，各國研究人員最近非常重視此項研究，但所得結果與真實情況相去甚遠。國內飛機防冰技術的發展已對此研究提出了迫切的需求。本課題以過冷大水滴為對象，從理論和實驗方面研究它們隨氣流運動的情況，以及在撞擊各類表面時的變形、破碎、飛濺和彈離機理及其對結凍的影響。側重建立描述大水滴運動行為的數學模型及其形態轉變的判斷準則，定量分析大水滴撞擊過程中伴隨的熱量和質量傳遞，考察運動速度、環境溫度、尺寸特性、入射角度、撞擊表面溫度、形態等因素的影響。探索研究成果在飛機結冰及防/除冰技術等領域的套用。本課題是涉及了多相流理論、空氣動力學、液滴變形及破碎理論、相變傳熱及航空氣象學等多個學科的交叉。該研究在國際上剛剛興起，而國內未見報導，是目前國際上航空航天及相關領域的前沿課題。
結題摘要
高空中的過冷大水滴（直徑＞50μm，SLD）以凍雨和微凍雨的形式廣泛存在，它對飛機表面的撞擊結冰比常規尺度的過冷小水滴（直徑≤50μm，CSD）的撞擊結冰更複雜，危害性更大。過冷大水滴撞擊結冰特性的複雜性主要表現在水滴運動過程中的變形/破碎，水滴撞擊結冰表面時的飛濺/反彈和子水滴的二次撞擊等，以及水滴動力學效應影響下的溢流結冰特性。針對過冷大水滴運動和撞擊結凍的複雜特性，項目執行期間開展了實驗研究和數值研究。實驗過程中重點關注了水滴的袋狀變形和破碎，對該類水滴的破碎進行了分類分析，統計了水滴的變形長度和破碎時間，並進行了計算分析；通過水滴撞擊乾/濕表面的實驗發現，水滴撞擊附有薄液膜的濕表面時，容易發生飛濺，且飛濺結構和形式與水膜厚度有較大關係；在水滴撞擊旋轉帽罩表面時發現，入射水滴的大部分質量都以子水滴的形式逃逸出撞擊表面；考慮到過冷大水滴動力學特性和結冰特性後續的實驗研究，籌建了實驗段尺寸為400mm×300mm的小型回流式冰風洞，目前該實驗系統還在進一步調試中；針對過冷大水滴的變形與破碎特性並基於實驗研究的結果，建立了描述大水滴變形/破碎的數學模型，對模型進行了驗證分析，並將其耦合進水滴運動特性的計算中，結果表明水滴的變形/破碎使水滴對表面的撞擊軌跡發生偏移，導致撞擊表面水滴收集率下降；發展了過冷大水滴撞擊特性的歐拉算法，並基於該算法分析了FENSAP和LEWICE飛濺模型的特點；建立了描述過冷大水滴飛濺/反彈的數學模型，並對該模型進行了驗證分析，結果表明所建立的飛濺/反彈模型優於FENSAP和LEWICE飛濺模型，更能有效反映過冷大水滴撞擊表面的水滴收集特性；基於拉格朗日法發展了耦合過冷大水滴飛濺/反彈及二次撞擊特性的水滴收集率的水滴追蹤算法（Droplet Tracking Method，DTM）；基於DTM算法對光滑和結冰翼型進行了水滴撞擊特性計算，分析了兩類翼型表面水滴質量損失率和回落率的大小和分布特點；針對過冷大水滴的溢流結冰特性，計算了單個控制體內溢流水對結冰特性的影響，並建立了描述結冰表面水膜特性的運動方程；開發了耦合大水滴運動和撞擊特性的二維多步結冰程式和三維結冰程式；通過對過冷大水滴的二維和三維的結冰計算結果的分析表明，所開發的二維多步結冰程式能夠實現過冷大水滴結冰冰形一定精度的模擬；過冷大水滴的動力學效應對機翼的三維結冰冰形影響較大。
