【综述推荐】中国民用航空飞行学院刘翔教授团队：机翼结冰特性及复杂流场分析研究进展
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科技
2024-07-11 10:12
陕西
文章亮点：飞机结冰理论和致灾机制对预防结冰事故和提高飞行性能至关重要。本文系统地总结了不同冰形条件及特殊机翼流场特性的研究进展，指出实际三维冰形复杂，具有多种结构特征，与分离流和湍流结构的耦合作用机制有待进一步深入研究；过冷大液滴条件下的特殊机翼的气动性能分析是未来重要的研究方向；湍流场分析侧重识别结冰翼型流场不稳定性特征及多尺度结构相互作用机制。探索积冰—流场耦合机制，对提出多因素、多参数、多尺度结冰预测与计算模型具有参考价值。
研究背景：飞行器在航行过程中会不可避免地遇到易引起结冰事故的环境条件。结冰会引起机翼或舵面外形变化，导致其升阻比下降、失速攻角减小、可操作性降低，以及气动性能衰退；发动机叶片结冰引起进气量和推进效率降低，脱落的冰块还会对发动机安全构成潜在威胁，从而对飞行器的安全性带来严重影响。结冰引发的飞行事故一直是航空安全的一大难题，随着我国航空业的快速发展，飞机安全飞行的迫切需求牵引翼型结冰理论与致灾机制的研究已迫在眉睫。因此，研究翼型结冰及其对气动性能的影响机制，对促进国内航空业健康、科学、持续地发展，增强我国国际航空邻域话语权具有现实意义。
翼型表面结冰状态下的气动性能评估是结冰防护研究和容冰安全飞行控制的重要依据，其核心研究内容即前缘非定常分离流结构及湍流细节特征。结冰翼面引起的气动性能衰退或失速与干净翼面有本质区别，由于冰形造成的气动外形变化，前缘部位的曲面引起的逆压梯度导致剪切层失稳脱落，在Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性驱动下形成的多尺度涡系结构加剧了近壁面回流区和主流区的流动掺混过程，严重影响翼型气动性能。自然结冰与冰风洞实验为分离流研究提供了基本冰形的形貌，早期研究针对不同影响因素建立了丰富的冰形数据库；带冰翼型的复杂流场结构对风洞实验测量和高保真数值模拟仍然具有巨大挑战，涉及大尺度分离流演化与小尺度湍流结构相互作用的分析技术，准确、高效地获得详细的流场信息是揭示翼型结冰与失速致灾机理的基础。
显然，全面地研究多尺度涡系结构生成和演化过程以及积冰过程冰形与非定常流场的相互作用机制，不仅有助于加深对翼型结冰致灾机制的认识，也能够为防除冰技术开发提供有价值的参考。为此，本文从不同冰形及其流场特征研究、特殊机翼结冰（多段翼和后掠翼）流场特征研究以及湍流场分析等研究领域的研究进展出发，系统地总结现有的研究方法和研究成果，并对未来带冰机翼流场分析研究进行展望，以期对飞机结冰致灾机理及民用飞机适航取证验证的研究与实践提供有价值的参考。
本文观点：飞机结冰相关理论和致灾机制的研究对于预防结冰事故和提高飞行性能具有重大意义。目前，建立全面的结冰冰形数据库和利用精确的流场分析方法，如模拟实际工况条件的冰风洞实验与高保真数值模拟，已成为研究这一问题的关键手段。复杂三维冰形的形成机制和对流场的多尺度结构影响仍是未来研究的重要方向和挑战，希望在后续研究中开发更高效的耦合模型、仿真技术及流场分析手段。随着实验与仿真技术的进步和结冰理论的深化，加深对航空领域的结冰流场相互作用机制的认识，可为飞机的结冰预警和防结冰技术的突破性进展提供更可靠的理论依据。
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团队依托四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心及中国民用航空飞行学院民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室，积极搭建高水准科研平台，已建成科研氛围浓厚、科研条件良好、设施设备较为齐备的科研平台。数年来，在民航局的正确领导下，对民航事业中存在的诸多科研难题进行攻克，基于极端条件下飞行器结冰风险及民航飞机适航审定需要，团队在翼型结冰及发动机航油管路结冰方面开展研究。同时根据中国民用航空局《“十四五”民航绿色发展专项规划》强调氢燃料电池发展是推动民航领域绿色低碳的有力措施，也符合当代国家“双碳”政策和民航发展的迫切需要。团队从氢燃料电池质子交换膜研发、氢燃料电池双极板研发和氢燃料电池安全监测与预警等方面开展研究。![]()
刘翔，博士，中国民用航空飞行学院民航安全工程学院副教授，民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室航油适航核心技术成员。持有工程师证、PMP国际项目管理证书。曾先后参与和主持国家863项目、四川省科技厅重点研发计划项目、省院省校合作项目等相关项目10余项。近5年在《Nano》《polymer advanced technologies》等杂志发表论文10余篇，主导获得国家发明专利、实用新型专利20余项，出版航空油料相关专著3部。近三年获得民航局教学成果一等奖1项、主持和参与省级一流本科课程2项。主要研究方向为航空新能源动力安全、航空润滑油与添加剂、燃油管路防结冰、民航安全双重预防机制。
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赵梁，工学博士，讲师，就职于中国民用航空飞行学院，参与国家自科基金项目1项，主持横向课题4项，发表论文30余篇，其中SCI、EI收录10余篇，授权国家发明或实用新型专利5项，主要研究方向为多相流与传热传质、计算流体力学、强化传热、机翼结冰等。![]()
刘文淇，中国民用航空飞行学院硕士研究生，曾获学业奖学金两项，主持翼型结冰模拟相关项目一项，研究方向为翼型结冰数值模拟。
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汝佳兴，中国民用航空飞行学院硕士研究生，研究方向为发动机系统材料结冰。扫码阅读全文
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