考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinic8Feb252017Vol38No．2SSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaaeducn考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性肖光明，杜雁霞*，王桥，郭龙，王茂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：非平衡凝固是过冷条件下水滴凝固过程的重要现象。本文针对飞机结冰过程过冷水滴的非平衡凝固效应，发展了改进的凝固特性预测模型及数值计算方法，并自行搭建了实验系统，开展了所建过冷水滴凝固模型与数值预测方法的实验验证。研究表明，所发展的

2、改进模型可有效表征水滴过冷阶段的非平衡凝固效应，因而对冷水滴凝固速率的预测有较好的改进；当过冷度为0℃时，过冷模型退化为传统模型。基于所建方法，开展了过冷度及冷却条件对水滴凝固特性的影响分析，获得了不同条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。研究表明，过冷度越大或水滴尺度越小，凝固速率相对越高；在考虑非平衡凝固效应的条件下，过冷水滴凝固速率要高于不考虑非平衡凝固效应的工况。相关研究可为结冰热力学模型的改进，以及结冰特性的精细化预测提供参考。关键词：过冷水滴；结冰；非平衡效应；凝固；改进模型中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)0252070307

3、飞机结冰是影响飞行安全的重要隐患之一，也是过冷水滴撞击于飞机表面并发生凝固的一种特殊相变现象[1]。由于过冷条件的存在，因而飞机结冰具有显著的非平衡凝固特征[2]。当水滴低于凝固点温度以液态形式存在时，往往会形成亚稳平衡态L3。4]。此时，只要施加一个较小的扰动即可触发凝固，并使其回到稳定的平衡态[I]，而能量的波动、界面、杂质、振动等均是触发亚稳态液体发生凝固的扰动源Es6]。过冷水滴的凝固通常分为2个典型阶段[2‘6]。第1阶段由形核开始，水滴从热力学非平衡态过渡到热力学平衡态的阶段，即枝晶形成阶段，也有研究者称其为部分凝固阶段[7]。对于撞击于飞机表面的过冷水滴，由于机体表面提供了异相

4、形核的条件，因此在此阶段形核过程从界面逐步发展到整个水滴，使水滴由液相变成冰水共存的模糊相，水滴温度也由过冷态上升到凝固温度所处的平衡态[6。7]。第2阶段为完全凝固阶段，即液固相界面由固相向液相推进直至凝固完成的过程口。8]。由于撞击引起的异相形核作用，飞机结冰过程水滴凝固的第1阶段显著快于第2阶段[2“]。鉴于结冰物理过程的复杂性，目前大多关于过冷水滴结冰的研究均把重点放在凝固第2阶段即相界面的推进过程上。由于第2阶段以平衡凝固为主，因此，多数研究者基于平衡凝固的相关理论与方法开展了结冰特性的预测研究，如基于EnthalPY—Porosity法研究凝固过程的液／固相变行为凹。1⋯，但该方

5、法主要针对平衡凝固过程，无法表征过冷水滴凝固的第1阶段即非平衡凝固过程的影响特征。近年来，随着飞机结冰预测精度要求的提高，结冰过程的非平衡凝固效应引起了研究者越来越收稿日期：2016．08—24；退修日期：2016—10—25；录用日期：2016—11—23；网络出版时间：2016—12—0516：40网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V201612051640002．html基金项目：国家自然科学基金(51308531，11672322)；国家“973”计划(201508755800)*通讯作者．E-mail：yanxiadu@163com}

6、用格式

7、；商光明，杜雅霞，王桥，等．考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性!山．航空学报，2017，38(2)：520703．XlAOGM。DUYX。WANGQ，etalFreezingcharacteristicsofsupercooledwaterdropletinconsiderationofnon—equilibriumeffect￡Jj．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinica．2017，38(2)：520703520703．1航空学报多的关注。Worster[1“、Ellen[1明等提出了平面生长理论，针对飞机结冰凝固过程的2个阶段，采用了不同的预测方法。Feu

8、illebois等口1研究了非平衡凝固对结冰第2阶段的初始物性参数的影响特性。Blake等[2]在考虑形核过程的基础上，基于FI。UENT二次开发发展了过冷水滴凝固特性的预测方法。可以看出，由于过冷条件下水滴的非平衡凝固效应对后期结冰速率及结冰特征有着重要影响而受到了越来越多的关注L13。1“。但由于凝固过程的复杂性，非平衡凝固特性预测方法的相关研究目前还较为缺乏，预测精度也有待提高，因而非平衡凝固规律特征的