基于FENSAP的冰积聚模拟分析

摘 要：飞机积冰是飞机在积冰气象条件下飞行时，大气中的液态水在部件表面冻结并积聚成冰的物理过程。结冰不仅增加飞机重量，而且破坏翼型的气动外形，导致阻力增加、升力下降、失速迎角减小，严重降低飞机稳定性和操纵性。基于FENSAP-ICE，采用数值模拟的手段，对二维翼型的结冰过程进行了研究，为分析结冰对飞机性能的影响、确定防护范围，进行飞机防/除冰系统设计提供理论基础。

关键词：FENSAP-ICE 数值模拟 冰积聚

中图分类号：V211 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0233-02

在飞机防冰系统的设计中，采用不同的防冰方法时，防护范围的确定原则亦不同，对于除冰系统，需要根据除冰系统能够有效除去的最小结冰厚度确定防护范围；对于防冰系统，则根据防护表面的可能结冰范围确定，一般情况下，可将不同条件下的水滴撞击范围作为防护范围。另外，可以根据实际情况，评估部分表面不采取防护措施时，对飞机安全飞行及相关性能的危害，从而适当减小防护范围以减少防冰能量的消耗。

1 计算模型

1.1 水滴撞击范围确定方法

空气中含有的过冷水滴可看作两种状态，一种是将水滴看做粒子，在空气的驱动下运动，并在惯性的作用下，脱离气流轨迹，撞击到飞机表面；另一种是将空气中分布的水滴看做与空气相同的连续分布的介质，采用与计算空气流场相同的方法计算水滴在空间内的分布，从而得到水滴撞击范围。这两种方法，前者称为拉格朗日法，后者称为欧拉法。FENSAP计算采用N-S方程求解空气流场，水滴撞击范围的确定采用欧拉法。结冰模型中考虑了结冰表面水膜流动的微分方程，在Spalart-Allmaras一方程湍流模型中考虑结冰表面粗糙度的影响。

1.1.1 空气和水滴运动控制方程

采用欧拉坐标系下的空气-过冷水滴两相流控制方程，流体的流动遵循质量守恒、能量守恒、动量守恒三大定律，分别表示为：

（1）质量守恒方程（Mass Conservatio

n Equation）

质量守恒定律的物理意义是：单位时间微元内流体质量的增加量等于同一时间内流入该微元的质量净增量。数学表达式为：

tion Equation）

能量守恒定律的物理意义是：流体微元的能量增加率等于单位时间内对流体微元的加热量与对流体微元做功的代数和，其本质就是热力学第一定律。对空气，其具体的数学表达式为：

4 结语

结冰问题作为困扰民用航空界的气象安全问题之一，几十年来一直受到研究者们的高度关注。本文通过计算某飞机翼型流场、水滴撞击特性和冰积聚，可以看到，基于FENSAP的数值模拟是进行结冰分析的有效方法，有助于理解结冰机理，分析结冰对飞机性能的影响，确定采用防冰系统时的防护范围，为飞机防/除冰系统设计提供理论基础。

参考文献

[1] 裘燮纲.飞机防冰系统[M].南京：南京航空航天大学出版，1996.

[2] 中国民用航空总局.CCAR-25中国民用航空规章第25部运输机类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空总局，2011.

[3] F.Morency，G.S.Baruzzi， W.G.Habashi，et al. FENSAP-ICE：A comprehensive 3D simulation system for Inflight icing.2001.