翼型的结冰数值模拟及相关控制研究

摘要

结冰是可能导致飞机发生严重事故的原因之一，因此飞机结冰的研究越来越受到各国的重视。当飞机穿越云层飞行时，云层中含有大量的过冷水滴就会撞击到飞机表面，发生结冰现象。飞机结冰过程是一个包括复杂传质传热现象的物理过程，涉及到包括气象学、传热学、流体力学等的多个学科。国内开展此研究相对较晚，实验条件较为欠缺，飞机防除冰系统的设计还得依赖工程估算。本文采用计算流体力学的方法对翼型结冰过程进行研究，预测了翼型结冰的外形，分析了结冰对翼型气动特性的影响，最后采用主动控制的办法，探索了通过设计机翼凸出物外形控制其表面结冰情况。
　　本文主要的研究工作包括以下几个方面：
　　（1）介绍了飞机结冰现象和国内外主要的研究方法，重点介绍了飞机结冰数值模拟研究的发展情况。
　　（2）采用Roe格式求解二维可压缩N-S方程，时间推进为显式的五步Runge-Kutta格式，湍流模型为Spalat-Allmaras模型。
　　（3）采用以Lagrange法为基础的理论来建立的水滴运动轨迹方程，讨论了机翼外形，弦长，飞行速度，过冷水滴直径，含量对滴运动轨迹和局部水收集系数的影响。
　　（4）采用以Messinger思想建立结冰数学模型，在考虑表面粗糙度影响的情况下采用边界层积分的方法计算对流换热系数，对典型状态下的NACA0012翼型进行了结冰数值模拟，并分析了结冰后对气动特性的影响。
　　（5）采用主动控制的办法，控制机翼翼面上的冰形。
　　（6）对本文的工作进行了总结，并提出后续工作的研究的方向。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2飞机结冰现象的数值模拟方法

1.3 本文的主要工作

第二章 翼型流场计算

2.1 前言

2.2 流体控制方程

2.3算例

2.4 小结：

第三章 过冷水滴运动轨迹和撞击特性研究

3.1 前言

3.2 水滴运动轨迹求解

3.3 过冷水滴的撞击特性

3.4 不同飞行和气象条件对水滴撞击特性的影响

3.5 小结

第四章 翼型结冰数学模型和冰形生成

4.1 前言

4.2 基于Messiger思想的结冰模型

4.3 对流换热系数的计算

4.4 结冰外形的确定

4.5算例分析

4.6 小结

第五章 结冰的相关控制

5.1 前言

5.2 研究对象和控制思路

5.3 计算状态和结果

5.4 后续工作

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文