飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)行為研究綜述

杜雁霞， 李明， 桂業(yè)偉， 王梓旭

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室， 綿陽 621000

飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)行為研究綜述

杜雁霞*， 李明， 桂業(yè)偉， 王梓旭

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室， 綿陽 621000

熱力學(xué)現(xiàn)象是制約飛機(jī)結(jié)冰特性的重要現(xiàn)象之一。開展飛機(jī)結(jié)冰過程熱力學(xué)行為的研究旨在深入把握結(jié)冰過程的規(guī)律特征，從而為建立科學(xué)有效的結(jié)冰防護(hù)手段、保障結(jié)冰條件下的飛行安全奠定基礎(chǔ)。本文回顧和介紹了飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)研究所涉及的過冷水滴存在的物理機(jī)制、結(jié)冰熱力學(xué)條件、形核與晶體生長、耦合液/固相變的復(fù)合傳熱傳質(zhì)特性，以及熱力學(xué)效應(yīng)作用下的結(jié)冰物理特性等相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及發(fā)展現(xiàn)狀，并基于國外相關(guān)研究的發(fā)展趨勢，提出了中國未來飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)研究需重點關(guān)注的方向。

過冷水滴； 飛機(jī)結(jié)冰； 熱力學(xué)； 冰物理學(xué)； 微結(jié)構(gòu)

飛機(jī)結(jié)冰是廣泛存在于飛行實踐并嚴(yán)重危害飛行安全的重要因素之一[1]。對結(jié)冰強(qiáng)度、速率、形貌等特性的有效預(yù)測是建立結(jié)冰防護(hù)手段、保障飛行安全的重要基礎(chǔ)[2-4]。飛機(jī)結(jié)冰是一個伴隨著水滴動力學(xué)效應(yīng)的特殊液/固相變現(xiàn)象，也是一個既包含傳熱、傳質(zhì)和液體流動、成分過冷、結(jié)晶潛熱釋放等宏觀現(xiàn)象，又涉及晶粒形核和生長、界面溶質(zhì)再分配等微觀現(xiàn)象的復(fù)雜熱物理過程。盡管各國在飛機(jī)結(jié)冰及其危害相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了半個多世紀(jì)的探索，但由于飛機(jī)結(jié)冰多尺度、多學(xué)科交叉耦合的復(fù)雜性[1-2]，迄今為止，人們對結(jié)冰的觸發(fā)、形成、演化等本質(zhì)規(guī)律還缺乏細(xì)致深入的認(rèn)識。這不但在一定程度上影響了對飛機(jī)結(jié)冰特性的精細(xì)化預(yù)測、評估，同時也在很大程度上制約著結(jié)冰安全防護(hù)系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計。隨著飛機(jī)全天候安全飛行性能要求的日益苛刻，深入把握飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)特征，對有效預(yù)測結(jié)冰特性，提高飛機(jī)結(jié)冰條件下的安全飛行性能具有重要意義。

本文回顧和介紹了飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)特性所涉及的過冷水滴存在的物理機(jī)制、結(jié)冰熱力學(xué)條件、形核與晶體生長、耦合液/固相變的復(fù)合傳熱傳質(zhì)特性等，以及熱力學(xué)效應(yīng)作用下的結(jié)冰物理特性等相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了未來我國飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)特性研究需重點關(guān)注的方向。

1 過冷水滴存在與結(jié)冰的物理機(jī)制

飛機(jī)結(jié)冰是過冷水滴撞擊機(jī)體表面并發(fā)生凍結(jié)的特殊凝固過程，其實質(zhì)是過冷水滴的動態(tài)結(jié)晶過程。水的結(jié)晶過程是典型的一級相變過程[5-7]，也是一個從高自由能的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡芫w結(jié)構(gòu)的過程。飛機(jī)結(jié)冰過程在宏觀上表現(xiàn)為冰形的生長與演化，在微觀上則表現(xiàn)為晶核形成與晶體生長過程，整個過程受熱力學(xué)條件和相變動力學(xué)因素的控制[8-10]。在水滴凝固的初始階段，過飽和狀態(tài)下的水分子首先在分子力的作用下相互碰撞并不斷聚集而形成凝固核心，然后水分子在化學(xué)勢的作用下與凝固核心表面碰撞并黏附，使凝固核心緩慢長大并生長成為晶體。

飛機(jī)結(jié)冰是過冷水滴撞擊在飛機(jī)表面并發(fā)生相變的一種復(fù)雜現(xiàn)象。從相平衡的觀點看，水滴冷卻到凝固點時應(yīng)發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)。但根據(jù)熱力學(xué)的相關(guān)理論，自由能的變化必須小于零，相變才會發(fā)生[11]。因此，在實際中水滴在相變溫度點往往并不會發(fā)生結(jié)晶。要產(chǎn)生固相，必須使溫度降到凝固點以下的某一溫度，如圖1中的C′點所示。圖1中，O為三相點，OC為氣液平衡線，OB為氣固平衡線，OA為液固平衡線，T和p分別表示溫度和壓力。該現(xiàn)象表明，結(jié)冰的發(fā)生需要驅(qū)動力，即須存在一定的過冷條件[12]。

圖1 過冷水滴的相圖
Fig.1 Phase diagram of supercooled water

過冷水滴在飛機(jī)表面的凍結(jié)始于水滴在機(jī)體表面的濕潤現(xiàn)象[13-14]。由于濕潤特性影響著水滴在物面的鋪展與收縮特性，因而對后續(xù)凝固范圍及凝固速率也有著較大的影響。水滴的濕潤特性與界面特性密切相關(guān)[15-17]。由于濕潤特性不同，水滴在物面的接觸角也有所差異，如圖2[13]所示。根據(jù)接觸角θ的不同，濕潤特性通常分為親水、疏水及超疏水幾種類型[16]。接觸角越大，水滴在表面的附著與鋪展特性也越好。對于撞擊于機(jī)體表面的水滴，接觸角與表面粗糙特性及化學(xué)不均勻性等因素密切相關(guān)[14]。

圖2 水滴在表面的濕潤特性
Fig.2 Wettability of water droplet on surface

同一般的凝固過程類似，飛機(jī)結(jié)冰的結(jié)晶凝固過程包括形核和晶體生長兩個階段[11]。因此，成核速率和晶體生長速率成為影響結(jié)冰過程相變速率的主要因素[11]。形核過程通常分為均相形核和異相形核。對于懸浮于高空中的過冷水滴，盡管存在液-固相變的外在驅(qū)動力，但由于均相形核較為困難，難以形成凝固核心[13-14]，因此能夠以過冷態(tài)懸浮于空中。但過冷態(tài)水滴一旦撞擊到飛機(jī)表面，外來基質(zhì)提供異相形核的有利條件，從而形成了晶體生長過程的快速觸發(fā)及結(jié)冰的現(xiàn)象。在飛機(jī)結(jié)冰的典型高度條件下，均相形核的最高溫度約為-40 ℃[18-19]。在-40 ℃以下，水滴可通過均相形核形成凝固核心，因而難以以過冷態(tài)存在，這也正是飛機(jī)結(jié)冰過程過冷水滴主要介于-40～0 ℃之間的原因。

由于過冷條件的存在，因而飛機(jī)結(jié)冰也是一種典型的非平衡凝固現(xiàn)象[13]。當(dāng)凝固過程存在一定的過冷條件時，往往會形成亞穩(wěn)平衡態(tài)[20-21]。此時，只要施加一個較小的擾動，即可觸發(fā)凝固，并使其回到穩(wěn)定的平衡態(tài)[20]，而能量的波動、界面、雜質(zhì)、振動等均是觸發(fā)亞穩(wěn)態(tài)液體發(fā)生凝固的擾動源[20-22]。研究發(fā)現(xiàn)[23]，過冷水滴在飛機(jī)表面的撞擊所產(chǎn)生的振動是提供異相形核條件并誘發(fā)凝固的重要擾動源。然而迄今為止，擾動源對凝固過程的觸發(fā)機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)的了解[24-26]。因此，目前人們還沒有深入掌握飛機(jī)結(jié)冰過程中水滴溫度、氣流溫度、速度等因素對凝固過程的影響規(guī)律。

2 結(jié)冰過程的冰層生長特性及其預(yù)測技術(shù)

2.1 結(jié)冰過程的液/固相變傳熱機(jī)理

飛機(jī)表面的傳熱過程是決定飛機(jī)表面能量交換特性、冰層生長速率及冰型特征的重要因素[27]。飛機(jī)表面的主要熱量交換過程包括：來流與飛機(jī)表面的對流換熱過程、飛機(jī)表面液體的蒸發(fā)傳熱過程、水滴撞擊表面后轉(zhuǎn)換為熱能的過程、水滴的顯熱交換過程、水滴凝固的潛熱釋放過程，以及氣流對飛機(jī)表面的氣動加熱過程(圖3)。其中，液/固相變是決定飛機(jī)結(jié)冰特性的重要過程[28-29]。隨著結(jié)冰精細(xì)化預(yù)測趨勢的發(fā)展，除冰形的宏觀形貌外，水滴與晶體微觀角度的熱力學(xué)特性近年來得到了越來越廣泛的關(guān)注[30-34]。

對應(yīng)于液/固相變的晶核形成和晶體生長兩個主要過程，過冷水滴的凝固通常分為兩個典型階段[15,21-22]，如圖4[13]所示。第1階段由形核開始，是水滴從熱力學(xué)非平衡態(tài)過渡到熱力學(xué)平衡態(tài)的階段[15,25]，即部分凝固階段[15]，也有研究者稱其為枝晶形成階段[17]；第2階段為完全凝固階段，即相界面平行推進(jìn)直至凝固完成的過程[15,17,26]。對于撞擊于飛機(jī)表面的水滴，由于機(jī)體表面提供了異相形核的條件，因此在此階段異相形核過程從界面逐步發(fā)展到整個水滴，使水滴由液相變成冰水共存的模糊相，水滴溫度也由過冷態(tài)上升到凝固點的平衡態(tài)[17,22]。凝固第2階段是水滴在平衡溫度下發(fā)生的等溫凝固過程[13,17,22]。在飛機(jī)結(jié)冰這類異相形核的凝固過程中，第2階段的凝固速率要顯著慢于第1階段[13]，這也正是大多飛機(jī)結(jié)冰研究忽略凝固第1階段的主要原因。

圖3 結(jié)冰過程的典型熱質(zhì)傳遞
Fig.3 Typical heat and mass transfer of icing

圖4 過冷水滴凝固的兩個階段
Fig.4 Two stages of supercooled water solidification

除凝固過程的界面移動特征外，傳熱的自相似特征引起的水滴凝固過程的形狀變化也逐步引起了研究者的關(guān)注[30-32]。如Schetnikov等[30]研究了因密度變化引起的頂部形貌圓錐形變化，并發(fā)現(xiàn)其錐頂角約為65°。Marin等[31]研究了冷平板上水滴凝固過程頂部形貌的變化規(guī)律(圖5)，并提出了表征尖頂形貌特征的數(shù)理模型。

圖5 水滴凝固過程的尖頂現(xiàn)象
Fig.5 Freezing water with a pointy tip

如果水滴撞擊后在表面的鋪展與收縮時間大于凝固的兩個階段的時間，則水滴會在表面凍結(jié)；反之，水滴則會發(fā)生反彈。因此，采用超疏水材料、納米材料、功能涂層等盡可能降低水滴在表面的鋪展與收縮時間或延長凝固時間以抑制結(jié)冰是近年來研究者們越來越關(guān)注的課題[13]。如Morita, Lupi等[33-34]研究了超疏水涂層表面過冷水滴的靜態(tài)與動態(tài)凝固過程，獲得了不同條件下水滴在冷表面的接觸時間。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，由于表面張力及黏附能量的增大，動態(tài)結(jié)冰過程中過冷水滴的接觸時間呈上升趨勢。

上述研究在不同程度揭示了飛機(jī)結(jié)冰的熱力學(xué)機(jī)理，為提高結(jié)冰特性的精細(xì)化預(yù)測水平、發(fā)展新型的結(jié)冰抑制與防護(hù)技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。但由于結(jié)冰過程液/固相變機(jī)理的復(fù)雜性，相關(guān)研究還需進(jìn)一步深入。

2.2 結(jié)冰過程的熱質(zhì)傳遞特性預(yù)測

過冷水滴與飛機(jī)表面接觸后，冰層的形成過程是一個存在移動邊界、包含氣液、液固和氣固相變的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過程[14]。對結(jié)冰表面熱力學(xué)過程的預(yù)測是建立結(jié)冰預(yù)測方法的重要基礎(chǔ)。液/固相變是飛機(jī)結(jié)冰過程的重要傳熱現(xiàn)象，也是制約飛機(jī)結(jié)冰形貌及速率特征的重要因素[29-30]。由于早期的研究主要針對霜冰等簡單結(jié)冰現(xiàn)象，因此，無論是理論分析還是數(shù)值計算，包括LEWICE、ONERA、FENSAP-ICE等結(jié)冰計算軟件，大多研究在對液/固相變過程的描述上采用了基于能量平衡的Messinger熱力學(xué)模型[35-36]。該模型綜合考慮了結(jié)冰過程涉及的主要能量項，通過結(jié)冰表面的熱量收支平衡來建立結(jié)冰熱過程的描述，但未考慮冰層及水膜內(nèi)部的溫度梯度分布及傳熱的非穩(wěn)態(tài)特征[37]。

研究發(fā)現(xiàn)，基于Messinger模型計算所得到的霜冰生長特性與實驗結(jié)果吻合較好，而明冰與混合冰卻與實驗結(jié)果有著較大的差異，更無法適應(yīng)過冷大水滴(Supercooled Large Droplet, SLD)結(jié)冰(圖6)的研究需求[37-42]。不少研究者[38-39]在冰風(fēng)洞試驗的基礎(chǔ)上提出了結(jié)冰熱力學(xué)模型的改進(jìn)方法，但多數(shù)研究僅限于對熱量項在“量”上的修正，因而基于Messinger模型所發(fā)展的結(jié)冰風(fēng)洞試驗相似準(zhǔn)則如ONERA、AEDC及Wedish-Russian等均不能有效表征結(jié)冰過程的傳熱相似特別是液/固相變的相似[43]，使現(xiàn)行相似準(zhǔn)則在明冰、混合冰及SLD結(jié)冰方面的應(yīng)用還有一定的差距。

近年來，隨著人們對過冷大水滴結(jié)冰問題的關(guān)注[44-46]，研究者們已逐步認(rèn)識到非平衡凝固[13-14]等熱力學(xué)現(xiàn)象在明冰、混合冰及SLD結(jié)冰等復(fù)雜結(jié)冰過程的重要影響。由于相變弛豫時間的延長，使SLD結(jié)冰與常規(guī)水滴結(jié)冰表現(xiàn)出顯著不同的熱力學(xué)效應(yīng)。盡管國外在小水滴相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，開展了SLD結(jié)冰數(shù)值預(yù)測方面的研究工作，并在一些國際CFD主流結(jié)冰計算軟件如LEWICE、CANICE、FENSAP-ICE中部分加入了SLD結(jié)冰預(yù)測的功能[47-49]。但由于對SLD結(jié)冰熱力學(xué)機(jī)理認(rèn)識方面的局限性，與常規(guī)小水滴結(jié)冰相比，預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果之間還存在較大程度的差異[50]。

圖6 結(jié)冰的典型熱物理過程
Fig.6 Thermal physical process of icing

由于飛機(jī)結(jié)冰是一個涉及原子尺度、水滴尺度及飛機(jī)尺度的多尺度問題[14]，為了深入掌握過冷水滴結(jié)冰的熱力學(xué)機(jī)制，建立更為精細(xì)的預(yù)測方法，從晶體與水滴尺度出發(fā)開展多尺度的數(shù)理建模與預(yù)測手段相關(guān)研究也逐步受到了重視。在晶體尺度研究方面，Kind等[51]基于枝晶生長的相關(guān)理論，研究了外部流動、過冷度及過飽和度等對晶體生長特性的影響，研究表明液膜流動對晶體生長的微觀形態(tài)及結(jié)冰的宏觀速率均有著重要的影響。Karev等[52-53]綜合考慮了飛機(jī)結(jié)冰過程的微觀與宏觀傳熱特性，引入線性生長模型(LRC模型)用以描述結(jié)冰過程的結(jié)晶行為。這些研究表明，了解和掌握結(jié)冰過程的微觀機(jī)制對深入認(rèn)識飛機(jī)結(jié)冰的本質(zhì)原因，從而改進(jìn)和完善宏觀數(shù)理模型有著重要的意義。

研究人員[7]針對飛機(jī)結(jié)冰凝固過程的兩個階段(圖7)，發(fā)展了不同的預(yù)測方法。在枝晶形成的第1階段，過冷水滴溫度由過冷態(tài)上升至凝固點，其凝固速率可由枝晶生長速率的經(jīng)驗式(圖8[54])進(jìn)行預(yù)測；第2階段為結(jié)冰表面溫差驅(qū)動形成的界面推進(jìn)階段，其凝固速率可通過Stefan問題[14]的求解而獲得。整個凝固時間由枝晶生長時間和界面推進(jìn)時間構(gòu)成[55-57]。

針對結(jié)冰的邊界移動現(xiàn)象，一些學(xué)者采用VOF及Level-Set方法等方法研究單個水滴的凝固特性[13-14]，也有學(xué)者采用Enthalpy-Porosity方法研究水滴的凝固過程，但該方法基于固液相物性參數(shù)相同的假設(shè)而建立，且無法模擬非平衡凝固過程[14]。近年來，采用分子動力學(xué)模擬方法(圖9)預(yù)測結(jié)冰特性的相關(guān)研究逐步得到發(fā)展[58-60]，使得從氫鍵角度研究結(jié)冰的凝固特性成為可能。

圖7 凝固模型示意圖
Fig.7 Schematic diagram of solidification model

圖8 枝晶生長速率曲線
Fig.8 Growth velocity of freely growing ice crystals

圖9 均相形核過程的分子動力學(xué)模擬
Fig.9 Molecular simulation on homogeneous icenucleation

隨著結(jié)冰精細(xì)化預(yù)測趨勢的發(fā)展，微、細(xì)觀尺度的熱力學(xué)模型研究受到了越來越廣泛的關(guān)注。但迄今為止，能夠與宏觀預(yù)測方法建立有機(jī)聯(lián)系、并適用于飛機(jī)結(jié)冰工程問題的熱力學(xué)模型及相應(yīng)的預(yù)測方法還有待進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 耦合液/固相變的復(fù)合傳熱特性及預(yù)測

隨著人們對SLD結(jié)冰現(xiàn)象的重視及FAA關(guān)于SLD適航條例的發(fā)布，SLD結(jié)冰已成為國際結(jié)冰研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點[61-63]。由于氣動剪切力、重力和表面張力的共同作用[61]，使得結(jié)冰表面液膜的流動特性成為影響結(jié)冰微觀形態(tài)和晶體生長并進(jìn)而影響冰層生長速率的重要因素[62-63]，液/固相變與液膜的耦合傳熱傳質(zhì)特性的相關(guān)研究也受到了越來越多的關(guān)注。

在歐盟EXTICE計劃[63]的牽引下，一些學(xué)者將相變過程的能量傳遞速率特征考慮在內(nèi)，發(fā)展了考慮凝固時間特征的熱力學(xué)數(shù)理模型。Li等[64]提出了過冷水滴凝固時間的經(jīng)驗關(guān)系式，Worster[65]基于Stefan相變理論，提出了平面生長模型(圖10)，該模型適用于擴(kuò)散占主導(dǎo)傳熱機(jī)制的凝固過程。研究者[7]在液膜形成特性及對水滴撞擊特性影響研究的基礎(chǔ)上，比較了Darmstadt模型、枝晶模型、平面模型及Hospers 4種不同凝固模型在凝固時間預(yù)測方面的差異，然而與法國武器裝備部(DGA)的試驗結(jié)果相比，現(xiàn)有模型均存在結(jié)冰量預(yù)測偏高的現(xiàn)象。由于過冷水滴凝固機(jī)制尚不夠清晰，使得目前對水滴凝固時間的有效預(yù)測還較為困難，因而發(fā)展結(jié)冰的精細(xì)化凝固模型與液膜生長模型同等重要。

Myers等[36-40]基于Stefan模型，建立了冰層溫度分布與冰層厚度的模擬方法?？颂m菲爾德大學(xué)Patrick[42]在該模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展了ICECREMO結(jié)冰分析軟件，研究表明，Myers模型對結(jié)冰物理過程有較清晰的表征[66-67]，因而對SLD等存在液膜條件下的結(jié)冰現(xiàn)象具有相對較好的預(yù)測精度(圖11)。盡管這些模型在表征復(fù)雜結(jié)冰條件下液膜與冰層內(nèi)部的傳熱特征方面具有一定優(yōu)勢，但由于剪切力、重力及壓力梯度等對液膜的復(fù)雜影響，使得模型引入了過多的物理參數(shù)而大大增加了預(yù)測方法的復(fù)雜性和工程適用難度。

圖10 不同模型計算結(jié)果與DGA試驗的比較
Fig.10 Ice accretion results of simulation and DGA test

圖11 ICECREMO與其他軟件結(jié)冰預(yù)測結(jié)果的比較
Fig.11 Ice accretion results of ICECREMO and other softwares

3 冰形物理特征

3.1 冰形宏觀形貌特征

在飛機(jī)結(jié)冰過程中，由于受不同結(jié)冰條件的影響，所生成的冰形不但在外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有所不同，而且在密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、冰相的內(nèi)部應(yīng)力特性及冰在物面的黏附特征等均存在較大差異[1]。盡管結(jié)冰冰形是影響結(jié)冰特性及防/除冰能量需求準(zhǔn)確預(yù)測的重要指標(biāo)之一，但由于結(jié)冰形貌的不規(guī)則性和隨機(jī)性，使經(jīng)典體視學(xué)在描述結(jié)冰冰形方面尚存在較大難度。迄今為止，國內(nèi)外對飛機(jī)結(jié)冰過程中不同冰形的描述主要根據(jù)透明和致密程度等表觀特性定性劃分為明冰、霜冰和混合冰[68-70]，如圖12所示，無法實現(xiàn)冰形的定量描述，也未建立冰形與結(jié)冰條件之間的定量關(guān)系[12]。

圖12 結(jié)冰的宏觀形貌
Fig.12 Macro-shape of icing

冰形的宏觀形貌與溫度有著密切的關(guān)系。Myers[37]研究發(fā)現(xiàn)，在初始結(jié)冰時晶體粒度相對較小，具有典型的霜冰特點；在結(jié)冰后期晶體粒度相對較大，具有典型的明冰特征(圖13)。該研究首次提出了結(jié)冰宏觀形貌與微結(jié)構(gòu)特征的定量關(guān)系，并指出了結(jié)冰過程傳熱特性的變化對冰形特征的影響。隨后，研究者[71-72]基于顯微圖像法，開展了冰形微結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，證實了傳熱特性的變化對冰型特征的影響。

不同結(jié)冰條件下形成的冰形不但在宏觀上有著顯著的不同，而且在微結(jié)構(gòu)特征上也有著明顯的區(qū)別。研究者們對飛機(jī)表面冰結(jié)構(gòu)的影響因素以及冰層生長過程中物理特性的變化進(jìn)行了初步探討[73]。一些學(xué)者利用先進(jìn)的測量技術(shù)對冰層的厚度、密度及表面溫度進(jìn)行了測量，研究了氣動力作用下冰晶體的形核與生長過程以及液態(tài)水在冰層中的擴(kuò)散、凍結(jié)規(guī)律，探究了飛機(jī)表面復(fù)雜冰結(jié)構(gòu)的變化過程，但迄今為止，不同參數(shù)對冰結(jié)構(gòu)形成演化的影響規(guī)律尚缺乏清晰的認(rèn)識。

圖13 NACA0012翼型表面結(jié)冰的微結(jié)構(gòu)形貌
Fig.13 Microstructure of icing on NACA0012 airfoil

3.2 冰形細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)

研究[74-75]發(fā)現(xiàn)，單個冰晶體結(jié)構(gòu)近似呈六邊形形狀(圖14)。這是由于在冰的形成過程中，水分子的締合是通過氫鍵按六方晶系的規(guī)則排列起來的。但隨著來流條件的變化，結(jié)晶條件相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致晶體的微觀組元如晶界、氣孔、位錯等特征各異，但晶體結(jié)構(gòu)總體上呈六邊形并顯示出較強(qiáng)的統(tǒng)計自相似特征[76]。

同通常的靜態(tài)結(jié)冰有所不同，由于飛機(jī)結(jié)冰過程是包含空氣的過冷水滴的快速凝固過程，飛機(jī)結(jié)冰的微結(jié)構(gòu)主要由晶體和氣泡組成[71]，圖15顯示了結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)生成冰的微結(jié)構(gòu)形貌。隨著來流條件的不同，除晶體與氣泡的分配比例、尺度、大小存在差異外，晶體的規(guī)則程度也顯示出較大的差異。氣泡的含量成為影響冰形微結(jié)構(gòu)特征、宏觀透明、致密程度及冰密度的主要因素。因此，建立冰形微結(jié)構(gòu)特征與來流條件之間的定量關(guān)系，是獲得冰形密度等物性參數(shù)特征并建立冰形定量方法的可能途徑之一。但由于飛機(jī)結(jié)冰過程的復(fù)雜多物理場現(xiàn)象，以及冰形生成的隨機(jī)和復(fù)雜性，使冰形的定量表征目前還面臨較大難度。

圖14 冰晶基本結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.14 Basic structure of ice crystals

圖15 冰的微結(jié)構(gòu)形貌
Fig.15 Microstructure of icing

4 飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)研究展望

隨著結(jié)冰預(yù)測精度及結(jié)冰防護(hù)要求的提高，明冰、混合冰與SLD結(jié)冰[77-85]及發(fā)動機(jī)高空冰晶結(jié)冰[86-93]等復(fù)雜結(jié)冰現(xiàn)象得到了人們越來越多的關(guān)注。但總體而言，復(fù)雜結(jié)冰過程相關(guān)的動力學(xué)研究相對較多，而熱力學(xué)研究相對較少，目前仍有很多基礎(chǔ)性的問題需要得到解決，這些問題主要包括：

1) 非平衡凝固機(jī)理問題

鑒于非平衡凝固效應(yīng)對結(jié)冰過程的重要影響，建立飛機(jī)結(jié)冰的非平衡凝固模型和基于多尺度結(jié)冰特性的精細(xì)化預(yù)測方法，對發(fā)展熱力學(xué)與水滴動力學(xué)綜合作用下結(jié)冰特性的精細(xì)化預(yù)測手段提出了更緊迫的需求。

2) 冰形特征的定量研究問題

當(dāng)前冰形定量描述方法的缺乏，使飛機(jī)表面結(jié)冰速率、冰形特征的有效預(yù)測及相應(yīng)的結(jié)冰防護(hù)研究均存在很大程度的局限性。因此，探索冰相形貌、質(zhì)地及物性等特征的主要影響因素與作用規(guī)律，揭示飛行氣象條件與結(jié)冰物理特性之間的本質(zhì)聯(lián)系，可為開展飛機(jī)結(jié)冰致災(zāi)效應(yīng)與安全防護(hù)研究提供重要依據(jù)。

3) 結(jié)冰過程的熱力學(xué)相似問題

由于現(xiàn)行結(jié)冰熱力學(xué)模型的局限性，基于現(xiàn)行熱力學(xué)模型發(fā)展起來的結(jié)冰相似準(zhǔn)則在熱現(xiàn)象相似特別是液/固相變現(xiàn)象相似、冰形結(jié)構(gòu)相似、液膜厚度及溢流特性的相似等方面上還存在很大程度的局限性。

4) 冰晶結(jié)冰機(jī)理問題

同過冷水滴結(jié)冰顯著不同的是，發(fā)動機(jī)在高空區(qū)的冰晶結(jié)冰過程實質(zhì)上是發(fā)動機(jī)內(nèi)部熱環(huán)境條件下冰晶在熱表面的撞擊、融化、溢流與再結(jié)晶的復(fù)雜熱物理過程，因而結(jié)冰特性因冰晶相、混合相、冰水組分(IWC)、液態(tài)水量(LWC)、環(huán)境溫度、表面溫度及壓力等參數(shù)的不同而有著較大差異。由于對冰晶結(jié)冰過程復(fù)雜熱現(xiàn)象認(rèn)識方面的缺乏，人們對發(fā)動機(jī)核心區(qū)的結(jié)冰位置、冰層生長速度、結(jié)冰強(qiáng)度等與發(fā)動機(jī)內(nèi)、外環(huán)境之間的關(guān)系還缺乏深入的認(rèn)識。目前，國內(nèi)的相關(guān)研究還極為薄弱，因而相關(guān)工作還有待于進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)束語

隨著航空技術(shù)的發(fā)展及未來飛機(jī)安全性能指標(biāo)的不斷提高，深入掌握結(jié)冰過程的熱力學(xué)、水滴動力學(xué)及空氣動力學(xué)等綜合作用下的復(fù)雜物理機(jī)制，突破現(xiàn)有認(rèn)知能力的局限性，深刻把握飛機(jī)結(jié)冰的科學(xué)本質(zhì)，對建立結(jié)冰條件下的科學(xué)防護(hù)手段和操縱應(yīng)對策略，具有重要的科學(xué)意義。

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(責(zé)任編輯： 李明敏)

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Reviewofthermodynamicbehaviorsinaircrafticingprocess

DUYanxia*,LIMing,GUIYewei,WANGZixu

StateKeyLaboratoryofAerodynamics,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China

Thermodynamicphenomenonisanimportantphenomenoninaircraftin-flighticingprocess.Researchonthethermodynamicbehaviorofaircrafticingwillbebeneficialforanaccurateunderstandingofthefreezingcharacteristicandphysicalmechanismoficingprocess,andwillthuslaythefoundationforthedevelopmentofeffectivemeansforanti-icingandde-icingtoensureflightsafetyinicingconditions.Foroverhalfacentury,researchershavebeenaimedatlesseningthehazardsofaircraftin-flighticing.Thecurrentresearchanddevelopmentinthermodynamicbehaviorofaircrafticing,includingthephysicalmechanismofsupercoolingofwater,thermodynamicconditionsoficing,nucleationandcrystalgrowth,andcoupledliquid/solidphasetransitionofcomplexheatandmasstransfercharacteristicsarereviewed,andtheoutlookandfutureeffortsforresearchonthermodynamicbehavioroficingispresented.

supercooledwaterdroplet;aircrafticing;thermodynamics;icephysics;micro-structure

2016-08-26；Revised2016-09-18；Accepted2016-10-25；Publishedonline2016-11-081523

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(11672322,11472295);NationalBasicResearchProgramofChina(2015CB755800)

.E-mailyanxiadu@163.com

2016-08-26；退修日期2016-09-18；錄用日期2016-10-25； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2016-11-081523

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161108.1523.004.html

國家自然科學(xué)基金 (11672322，11472295)； 國家“973”計劃 (2015CB755800)

.E-mailyanxiadu@163.com

杜雁霞， 李明， 桂業(yè)偉， 等． 飛機(jī)結(jié)冰熱力學(xué)行為研究綜述J． 航空學(xué)報,2017,38(2):520706.DUYX,LIM,GUIYW，etal.ReviewofthermodynamicbehaviorsinaircrafticingprocessJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(2):520706.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0277

V211.3

A

1000-6893(2017)02-520706-12