飞机结冰热力学行为研究综述.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb。252017VoI．38No2SSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．educnhkxb@buaaeducn飞机结冰热力学行为研究综述杜雁霞*，李明，桂业伟，王梓旭中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，绵阳621000摘要：热力学现象是制约飞机结冰特性的重要现象之一。开展飞机结冰过程热力学行为的研究旨在深入把握结冰过程的规律特征，从而为建立科学有效的结冰防护手段、保障结冰条件下的飞行安全奠定基础。本文回顾和介

2、绍了飞机结冰热力学研究所涉及的过冷水滴存在的物理机制、结冰热力学条件、形核与晶体生长、耦合液／固相变的复合传热传质特性，以及热力学效应作用下的结冰物理特性等相关领域的研究进展及发展现状，并基于国外相关研究的发展趋势，提出了中国未来飞机结冰热力学研究需重点关注的方向。关键词：过冷水滴；飞机结冰；热力学；冰物理学；微结构中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：10006893(2017)02520706—12飞机结冰是广泛存在于飞行实践并严重危害飞行安全的重要因素之一[1]。对结冰强度、速率、形貌等特性的有效预测是建立结冰防护手段、保障飞

3、行安全的重要基础[2“。飞机结冰是一个伴随着水滴动力学效应的特殊液／固相变现象，也是一个既包含传热、传质和液体流动、成分过冷、结晶潜热释放等宏观现象，又涉及晶粒形核和生长、界面溶质再分配等微观现象的复杂热物理过程。尽管各国在飞机结冰及其危害相关领域进行了半个多世纪的探索，但由于飞机结冰多尺度、多学科交叉耦合的复杂性[1。2]，迄今为止，人们对结冰的触发、形成、演化等本质规律还缺乏细致深入的认识。这不但在一定程度上影响了对飞机结冰特性的精细化预测、评估，同时也在很大程度上制约着结冰安全防护系统的科学设计。随着飞机全天候安全飞行性能要求的日益苛刻

4、，深入把握飞机结冰热力学现象的本质特征，对有效预测结冰特性，提高飞机结冰条件下的安全飞行性能具有重要意义。本文回顾和介绍了飞机结冰热力学特性所涉及的过冷水滴存在的物理机制、结冰热力学条件、形核与晶体生长、耦合液／固相变的复合传热传质特性等，以及热力学效应作用下的结冰物理特性等相关领域的研究进展及发展现状，并提出了未来我国飞机结冰热力学特性研究需重点关注的方向。1过冷水滴存在与结冰的物理机制飞机结冰是过冷水滴撞击机体表面并发生冻结的特殊凝固过程，其实质是过冷水滴的动态结晶过程。水的结晶过程是典型的一级相变过程口。7]，也是一个从高自由能的液态结

5、构转变为低自由能晶体结构的过程。飞机结冰过程在宏观上表现为冰形的生长与演化，在微观上则表现为晶收稿日期：2016—08—26；退修El期：2016—09—18；录用日期：2016—10．25；网络出版时间：2016—11．0815：23网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detaj

6、／111929V201611081523004．html基金项目：国家自然科学基金(11672322，11472295)；国家“973”计划(201508755800)*通讯作者E—mail：yanxiadu@163com引角格武：杜雅霞，李跪，桂业伟

7、，等飞机结冰熟力学行为研究综述i山航空学报，2017，38(2)：520706DUYX，LIM，GUIYW，etalReviewofthermodynamicbehaviorsinaircrafticingprocess[JjActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(2)：520708520706．1航空学报核形成与晶体生长过程，整个过程受热力学条件和相变动力学因素的控制[8。⋯。在水滴凝固的初始阶段，过饱和状态下的水分子首先在分子力的作用下相互碰撞并不断聚集而形成凝固核心，然后水分子在化学势的作

8、用下与凝固核心表面碰撞并黏附，使凝固核心缓慢长大并生长成为晶体。飞机结冰是过冷水滴撞击在飞机表面并发生相变的一种复杂现象。从相平衡的观点看，水滴冷却到凝固点时应发生结晶反应。但根据热力学的相关理论，自由能的变化必须小于零，相变才会发生口1I。因此，在实际中水滴在相变温度点往往并不会发生结晶。要产生固相，必须使温度降到凝固点以下的某一温度，如图1中的C7点所示。图1中，0为三相点，0C为气液平衡线，0B为气固平衡线，OA为液固平衡线，T和乡分别表示温度和压力。该现象表明，结冰的发生需要驱动力，即须存在一定的过冷条件[12I。r图1过冷水滴的相图

9、Fig．1Phasediagramofsupercooledwater过冷水滴在飞机表面的冻结始于水滴在机体表面的湿润现象[13-14]。由于湿润特性影响着水滴在物