飞机异常结冰的过冷凝固机理及理论研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文飞机异常结冰的过冷凝固机理及理论研究博士研究生孔维梁学号0094139005导师刘洪申请学位工学博士学科流体力学所在单位航空航天学院答辩日期2015年10月授予学位单位上海交通大学上海交通大学航空航天学院2015年10月10日DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPh.DMechanismandfundamentaltheoryofsupercooledwatersolidificationontheabnormalaircrafticingCand

2、idate：KONGWEILIANGStudentID:0094139005Supervisor:LIUHONGAcademicDegreeAppliedfor：Ph.DofEngineeringSpeciality：AerospaceScienceandtechnologyAffiliation：SchoolofAeronauticsandAstronauticsDateofDefence：October,2015egree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversityＩ上海交通大学学位论文原创性声明

3、本人郑重声明；所呈交的学位论文《飞机异常结冰的过冷凝固机理及基础理论硏兜》，是本人在导师的指哥下ｔ独立进行研兒工作所取得的成＇果，本论文不包含任何其他个人或集体。隙文中己经注明引用的内容外已经发表或撰写泣的作品成果。对本文的研巧做出亟要贡献的个人和集。体■明滿方式标巧本人完全愚识到本声明的法律结果由，均己在文中ｙ本人承担。学位论文作者避名；ｔｕｔ聲ｆ日期；如化年Ｊｏ月如日＊’Ｉ４，■－－■．上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定？同意学校保留并向

4、南家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论Ａ文被蒼阅和借閒。本人攪权上海交通大学可Ｗ将本学位论文的全部或部、分内容编入有关数掘库进行检崇，可Ｗ采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。，在后适用本授权书。保密□一罕解密本学位论文属于，不保密Ｖ．。＂＂（请在上方框内打Ｖ）学位论文作者签名：指导獅；Ｍ期：如Ｉ年〇月曰期：月。曰曰如（？口曰／玉年３上海交通大学博士学位论文摘要在航空活动广泛普及的今天，飞机结冰仍然是飞行安全的重大威胁，近二十年来造成了多起灾难性事故。自1994年以来，人们在一系列严重结冰

5、事故发现了危险的异常结冰现象：防冰系统后产生了冰脊以致无法正常除冰，以及超出当时结冰适航条例范围（FAR25.1419和附录C）的过冷大粒径水滴（SLD）环境。说明原有的飞机防除冰手段难以保证结冰飞行安全。经过二十年的研究，美国联邦航空局（FAA）推出了最新的结冰适航条款（FAR25.1420和附录O），初步提出了SLD环境中的结冰适航要求。但现在仍然缺乏可靠的结冰预测和防护手段，这是由于产生异常结冰的机理还未得到很好的解释。研究现状表明，现有的飞机SLD结冰研究聚焦在于水滴动力学方面，未深入研究冰生长的机理。而对过冷水性质的研究进展则揭示了传统飞机结冰理论的不足

6、。这要求更深入的研究过冷水结冰机理，建立可解释异常结冰的飞机结冰理论，支持结冰预测、防护及适航性验证等方面的研究。这项研究将对我国民机结冰适航有直接的支持，并且对过冷水物理、传热、凝固相关交叉学科研究有推动作用。本文围绕解释飞机异常结冰的目标，以过冷水结冰物理特性为切入点，开展结冰机理，飞机结冰理论和结冰预测应用三部分研究：1、研究大粒径过冷水滴的破碎形式产生条件和碰撞结冰的过程，得到水滴的多因素破碎机理和碰撞非定常传热机理认识；研究飞机表面过冷水生长的基本物理过程，得到过冷水层中结冰速率和形态演化的机理认识。2、研究飞机表面过冷水层结冰的演化理论和过冷水滴碰撞耦

7、合结冰演化理论，提出反映过冷水结冰物理特性和水滴粒径效应的耦合结冰演化理论，3、研究飞机异常结冰数值预测算法，提出了水滴多因素破碎模型，过冷水滴碰撞模型和多阶段过冷结冰模型。对异常结冰特征的产生过程和条件进行了研究，为飞机结冰预测、防除冰设计和适航验证做准备。本文具体研究过程为：1、通过理论分析和两相流数值模拟研究了不同水滴破碎形式发生的条件、破碎的子液滴粒径和破碎发生的位置，掌握水滴不同破碎形式的发生机理，得到水滴的两类破碎形式发生的判据；通过风洞实验研究了过冷水滴碰撞结冰的过程，通过对水滴碰撞结冰过程和冰形状特征的分析，得到了过冷水滴碰撞产生的流动、张力影响和

8、传热的耦合