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    飛機異常結冰中的SLD撞擊流動耦合結冰機理研究

    孫明明  
    【摘要】:飛機結冰是飛機安全飛行的嚴重威脅之一。近年來,過冷大水滴(Supercooled Large Droplet,以下簡稱SLD)導致的飛機結冰事故不斷增多,過冷大水滴撞擊飛機表面后形成的異常溢流脊狀冰會破壞飛機的氣動外形,使得飛機的升力降低、阻力升高,嚴重危害飛機的安全飛行。但現有的SLD結冰機理認識并不充分,無法有效解釋SLD產生異常溢流冰的機制,也難以支持SLD條件下飛機防除冰技術的發展。雖然在2014年FAA就已經發布了新適航條款,但現有的冰風洞試驗還未能實現可靠的SLD結冰環境,同時數值模擬技術方面也主要考慮的是動力學對水滴收集率的影響,并無有效的SLD防冰手段。在現有的SLD機理認識上,飛機溢流結冰研究并未考慮過冷水結冰的成核及冰演化規律,且過冷水的成核與結冰研究也很少在SLD撞擊條件下開展。而實際上,SLD溢流結冰是撞擊流動與結冰的耦合結果。因此,本文針對撞擊條件下的過冷水滴結冰過程來開展研究,以揭示SLD溢流結冰的產生機理。本文設計實驗研究了單過冷水滴撞擊壁面后的結冰過程,通過水滴撞擊水平壁面后的攤鋪結冰和水滴撞擊傾斜壁面后的流動結冰的機理試驗研究,分析了水滴撞擊流動與成核冰生長的耦合作用,進而對水滴溢流結冰現象進行了理論分析。通過機理實驗研究,本文發現了不同于之前研究的過冷水滴凍結現象。過冷水滴撞擊水平壁面后,除了之前發現的橢球狀、圓盤狀、凹陷狀的凍結形態,本文還發現了荷包蛋狀和不規則狀,分別出現在冰枝垂直生長速度緩慢以及冰枝水平生長速度慢于水滴回縮速度的情況下。而過冷水滴撞擊傾斜壁面后的凍結形態則與常溫水滴撞擊傾斜壁面后的結冰形態(以兩個分水滴凍結)并不相同,水滴會出現橢圓狀和細長條狀的凍結形狀。隨著成核時間的增加以及冰枝生長速度的降低,水滴的凍結形態會從橢圓狀逐漸向細長條狀轉化。研究發現了由成核時間與冰生長速度共同決定的不同的SLD撞擊結冰模式:當冰枝水平生長速度比水層流動速度快時,水滴的凍結是由成核時間主導的;當冰枝生長速度遠低于水層流動速度時,水滴的凍結是由冰生長速度決定的。隨著成核時間的增加,傾斜壁面上的過冷大水滴的撞擊結冰模式會轉化為長距離溢流狀態,特別是在風力驅動且水量充足的情況下?;谒巫矒魟恿W與成核冰生長的耦合作用,本文提出了過冷大水滴撞擊流動耦合結冰理論模型,并且討論了實際情況下的飛機機翼表面異常溢流冰。即在過冷度低的情況下,水滴的成核時間長、冰生長速度慢,水滴持續不斷的向下流動,容易在飛機除冰裝置后部累積形成溢流脊狀冰,嚴重危害飛機的安全飛行。以上關于SLD撞擊流動耦合結冰的研究討論,對結冰環境的預測以及飛機表面防除冰系統的設計都有十分重要的意義。


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