基于FENSAP的冰積聚模擬分析

范紹強

摘 要：飛機積冰是飛機在積冰氣象條件下飛行時，大氣中的液態水在部件表面凍結并積聚成冰的物理過程。結冰不僅增加飛機重量，而且破壞翼型的氣動外形，導致阻力增加、升力下降、失速迎角減小，嚴重降低飛機穩定性和操縱性。基于FENSAP-ICE，采用數值模擬的手段，對二維翼型的結冰過程進行了研究，為分析結冰對飛機性能的影響、確定防護范圍，進行飛機防/除冰系統設計提供理論基礎。

關鍵詞：FENSAP-ICE 數值模擬 冰積聚

中圖分類號：V211 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0233-02

在飛機防冰系統的設計中，采用不同的防冰方法時，防護范圍的確定原則亦不同，對于除冰系統，需要根據除冰系統能夠有效除去的最小結冰厚度確定防護范圍；對于防冰系統，則根據防護表面的可能結冰范圍確定，一般情況下，可將不同條件下的水滴撞擊范圍作為防護范圍。另外，可以根據實際情況，評估部分表面不采取防護措施時，對飛機安全飛行及相關性能的危害，從而適當減小防護范圍以減少防冰能量的消耗。

1 計算模型

1.1 水滴撞擊范圍確定方法

空氣中含有的過冷水滴可看作兩種狀態，一種是將水滴看做粒子，在空氣的驅動下運動，并在慣性的作用下，脫離氣流軌跡，撞擊到飛機表面；另一種是將空氣中分布的水滴看做與空氣相同的連續分布的介質，采用與計算空氣流場相同的方法計算水滴在空間內的分布，從而得到水滴撞擊范圍。這兩種方法，前者稱為拉格朗日法，后者稱為歐拉法。FENSAP計算采用N-S方程求解空氣流場，水滴撞擊范圍的確定采用歐拉法。結冰模型中考慮了結冰表面水膜流動的微分方程，在Spalart-Allmaras一方程湍流模型中考慮結冰表面粗糙度的影響。

1.1.1 空氣和水滴運動控制方程

采用歐拉坐標系下的空氣-過冷水滴兩相流控制方程，流體的流動遵循質量守恒、能量守恒、動量守恒三大定律，分別表示為：

（1）質量守恒方程（Mass Conservatio

n Equation）

質量守恒定律的物理意義是：單位時間微元內流體質量的增加量等于同一時間內流入該微元的質量凈增量。數學表達式為：

tion Equation）

能量守恒定律的物理意義是：流體微元的能量增加率等于單位時間內對流體微元的加熱量與對流體微元做功的代數和，其本質就是熱力學第一定律。對空氣，其具體的數學表達式為：

4 結語

結冰問題作為困擾民用航空界的氣象安全問題之一，幾十年來一直受到研究者們的高度關注。本文通過計算某飛機翼型流場、水滴撞擊特性和冰積聚，可以看到，基于FENSAP的數值模擬是進行結冰分析的有效方法，有助于理解結冰機理，分析結冰對飛機性能的影響，確定采用防冰系統時的防護范圍，為飛機防/除冰系統設計提供理論基礎。

參考文獻

[1] 裘燮綱.飛機防冰系統[M].南京：南京航空航天大學出版，1996.

[2] 中國民用航空總局.CCAR-25中國民用航空規章第25部運輸機類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空總局，2011.

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

摘 要：飛機積冰是飛機在積冰氣象條件下飛行時，大氣中的液態水在部件表面凍結并積聚成冰的物理過程。結冰不僅增加飛機重量，而且破壞翼型的氣動外形，導致阻力增加、升力下降、失速迎角減小，嚴重降低飛機穩定性和操縱性。基于FENSAP-ICE，采用數值模擬的手段，對二維翼型的結冰過程進行了研究，為分析結冰對飛機性能的影響、確定防護范圍，進行飛機防/除冰系統設計提供理論基礎。

關鍵詞：FENSAP-ICE 數值模擬 冰積聚

中圖分類號：V211 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0233-02

在飛機防冰系統的設計中，采用不同的防冰方法時，防護范圍的確定原則亦不同，對于除冰系統，需要根據除冰系統能夠有效除去的最小結冰厚度確定防護范圍；對于防冰系統，則根據防護表面的可能結冰范圍確定，一般情況下，可將不同條件下的水滴撞擊范圍作為防護范圍。另外，可以根據實際情況，評估部分表面不采取防護措施時，對飛機安全飛行及相關性能的危害，從而適當減小防護范圍以減少防冰能量的消耗。

1 計算模型

1.1 水滴撞擊范圍確定方法

空氣中含有的過冷水滴可看作兩種狀態，一種是將水滴看做粒子，在空氣的驅動下運動，并在慣性的作用下，脫離氣流軌跡，撞擊到飛機表面；另一種是將空氣中分布的水滴看做與空氣相同的連續分布的介質，采用與計算空氣流場相同的方法計算水滴在空間內的分布，從而得到水滴撞擊范圍。這兩種方法，前者稱為拉格朗日法，后者稱為歐拉法。FENSAP計算采用N-S方程求解空氣流場，水滴撞擊范圍的確定采用歐拉法。結冰模型中考慮了結冰表面水膜流動的微分方程，在Spalart-Allmaras一方程湍流模型中考慮結冰表面粗糙度的影響。

1.1.1 空氣和水滴運動控制方程

采用歐拉坐標系下的空氣-過冷水滴兩相流控制方程，流體的流動遵循質量守恒、能量守恒、動量守恒三大定律，分別表示為：

（1）質量守恒方程（Mass Conservatio

n Equation）

質量守恒定律的物理意義是：單位時間微元內流體質量的增加量等于同一時間內流入該微元的質量凈增量。數學表達式為：

tion Equation）

能量守恒定律的物理意義是：流體微元的能量增加率等于單位時間內對流體微元的加熱量與對流體微元做功的代數和，其本質就是熱力學第一定律。對空氣，其具體的數學表達式為：

4 結語

結冰問題作為困擾民用航空界的氣象安全問題之一，幾十年來一直受到研究者們的高度關注。本文通過計算某飛機翼型流場、水滴撞擊特性和冰積聚，可以看到，基于FENSAP的數值模擬是進行結冰分析的有效方法，有助于理解結冰機理，分析結冰對飛機性能的影響，確定采用防冰系統時的防護范圍，為飛機防/除冰系統設計提供理論基礎。

參考文獻

[1] 裘燮綱.飛機防冰系統[M].南京：南京航空航天大學出版，1996.

[2] 中國民用航空總局.CCAR-25中國民用航空規章第25部運輸機類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空總局，2011.

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

摘 要：飛機積冰是飛機在積冰氣象條件下飛行時，大氣中的液態水在部件表面凍結并積聚成冰的物理過程。結冰不僅增加飛機重量，而且破壞翼型的氣動外形，導致阻力增加、升力下降、失速迎角減小，嚴重降低飛機穩定性和操縱性。基于FENSAP-ICE，采用數值模擬的手段，對二維翼型的結冰過程進行了研究，為分析結冰對飛機性能的影響、確定防護范圍，進行飛機防/除冰系統設計提供理論基礎。

關鍵詞：FENSAP-ICE 數值模擬 冰積聚

中圖分類號：V211 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0233-02

在飛機防冰系統的設計中，采用不同的防冰方法時，防護范圍的確定原則亦不同，對于除冰系統，需要根據除冰系統能夠有效除去的最小結冰厚度確定防護范圍；對于防冰系統，則根據防護表面的可能結冰范圍確定，一般情況下，可將不同條件下的水滴撞擊范圍作為防護范圍。另外，可以根據實際情況，評估部分表面不采取防護措施時，對飛機安全飛行及相關性能的危害，從而適當減小防護范圍以減少防冰能量的消耗。

1 計算模型

1.1 水滴撞擊范圍確定方法

空氣中含有的過冷水滴可看作兩種狀態，一種是將水滴看做粒子，在空氣的驅動下運動，并在慣性的作用下，脫離氣流軌跡，撞擊到飛機表面；另一種是將空氣中分布的水滴看做與空氣相同的連續分布的介質，采用與計算空氣流場相同的方法計算水滴在空間內的分布，從而得到水滴撞擊范圍。這兩種方法，前者稱為拉格朗日法，后者稱為歐拉法。FENSAP計算采用N-S方程求解空氣流場，水滴撞擊范圍的確定采用歐拉法。結冰模型中考慮了結冰表面水膜流動的微分方程，在Spalart-Allmaras一方程湍流模型中考慮結冰表面粗糙度的影響。

1.1.1 空氣和水滴運動控制方程

采用歐拉坐標系下的空氣-過冷水滴兩相流控制方程，流體的流動遵循質量守恒、能量守恒、動量守恒三大定律，分別表示為：

（1）質量守恒方程（Mass Conservatio

n Equation）

質量守恒定律的物理意義是：單位時間微元內流體質量的增加量等于同一時間內流入該微元的質量凈增量。數學表達式為：

tion Equation）

能量守恒定律的物理意義是：流體微元的能量增加率等于單位時間內對流體微元的加熱量與對流體微元做功的代數和，其本質就是熱力學第一定律。對空氣，其具體的數學表達式為：

4 結語

結冰問題作為困擾民用航空界的氣象安全問題之一，幾十年來一直受到研究者們的高度關注。本文通過計算某飛機翼型流場、水滴撞擊特性和冰積聚，可以看到，基于FENSAP的數值模擬是進行結冰分析的有效方法，有助于理解結冰機理，分析結冰對飛機性能的影響，確定采用防冰系統時的防護范圍，為飛機防/除冰系統設計提供理論基礎。

參考文獻

[1] 裘燮綱.飛機防冰系統[M].南京：南京航空航天大學出版，1996.

[2] 中國民用航空總局.CCAR-25中國民用航空規章第25部運輸機類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空總局，2011.

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