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累积成冰的一种物理过程,是飞行实践中广泛存在的一种现象,也是导致飞行安全事故的主要隐患。开展飞机积冰研究,可以使人们更深入认识积冰产生的机理,把握积冰危害飞行安全的规律,为飞机防/除冰装置的设计、积冰条件下飞行和操作规范的制定提供理论基础。预测给定气象条件下前缘积冰的种类和冰的外形、预测冰脊的体积与位置、评估不同类型和强度的冰对空气动力学特性的影响,是飞机积冰研究中最基础的内容;积冰试验相似准则是进行冰风洞试验的理论基础,也是试验参数选取的依据;对以上内容的研究在我国还刚起步,远落后于国外先进水平,尤其是冰脊和积冰试验相似准则,国内还没有开展相关研究。为了加深对积冰的认识,填补国内相关研究的不足,本文采用理论分析与数值计算相结合的手段,以预测积冰及其对气动特性影响为研究的出发点,对前缘积冰、冰脊和积冰试验相似准则进行了系统的研究,取得了一系列有价值的成果:(1)对数值计算积冰的三个基本步骤(流场计算、水滴运动及撞击特性计算、积冰热力学模型求解)进行了深入研究,建立了数值计算积冰的基本构架和算法,为开展积冰数值研究奠定了基础。①采用SIMPLE方法求解了低速粘流的时均N-S方程,将粘性效应引入到积冰计算中,为水滴运动和积冰相变计算提供了更准确的流场信息,克服了大多数积冰计算中忽略粘性的缺点。②给出了部件表面水滴撞击特性的具体计算方案和步骤,计算了单尺寸、多尺寸分布水滴在物面的局部收集系数,计算结果与实验相吻合,可以进一步应用于飞机积冰研究以及防/除冰系统设计。③基于对Messinger模型的分析,给出了一种改进的积冰热力学模型,针对该模型发展了相应的数值求解方法,该方法采用迭代技术,可以根据求解结果直接给出冰的组成和类型。(2)发展了一套用于前缘积冰计算的数值软件IRC(Ice Research Code),采用该软件计算了二维物面上的前缘积冰成长过程,研究了积冰后的空气动力学特性,系统讨论了环境温度、过冷水滴直径以及液态水含量对积冰的影响。这些工作对深入认识积冰机理和防/除冰装置的设计具有重要意义。①数值计算了霜冰、明冰和混合冰在二维圆柱和NACA0012翼型前缘的累积成长过程,冰形计算结果与实验吻合较好,说明本文采用的模型和算法是可信的,详细描述了用于多段翼积冰的算法,计算了NLR7301两段翼积冰,发现襟翼积冰严重。②数值计算了积冰之后的流场,得到了积冰对空气动力特性的影响规律,计算发现圆柱积冰之后,升、阻力特性的周期性遭到破坏,尤其是混合冰和明冰导致的破坏明显,NACA0012翼型积冰之后,失速攻角减小,升力减小而阻力增加,NLR7301两段翼积冰之后,整个翼型的升阻力特性完全恶化,主翼的压力分布破坏最明显,而积冰对襟翼的压力分布破坏程度稍轻。③系统研究了环境温度、过冷水滴直径以及液态水含量对积冰的影响,获得了这些因素影响积冰的规律,研究表明,温度和液态水含量通过影响冻结比例来改变冰的类型,对于积冰中常见的过冷水滴,其直径对积冰的影响主要体现是积冰的区域随水滴直径变化而变化,冰的厚度随水滴直径增加而增加。(3)给出了三维积冰计算中水滴运动和撞击特性的计算方法;构建了三维物面上积冰热力学模型的计算方案;发展出一套三维积冰计算软件IRC3D,并在国内首先开展了数值计算三维机翼前缘积冰的工作;对比了NACA0012平直机翼与相同条件下二维翼型积冰的结果,结果显示三维计算的水滴撞击特性以及冰形均与二维结果吻合,初步说明IRC3D及其算法对平直翼的积冰计算是成功的;研究了ONERA M6机翼前缘积冰,发现越靠近翼梢,最大局部收集系数值越大,从翼根到翼梢,冰逐渐变厚,冰的组成中,霜冰特征所占的比例逐渐变小,而明冰特征所占比例逐渐变大;计算了某运输机翼梢天线罩前缘积冰,分析了积冰后的气动特性。以上工作及成果为进行三维复杂外形(如全机)积冰分析奠定了基础。(4)开展了冰脊形成及其对气动特性影响的研究。提出了一种计算冰脊质量和体积的方法,该方法能给出特定气象条件下的冰脊质量;系统研究了冰脊对气动特性的影响,分析了带冰脊机翼的流场结构,计算了冰脊对机翼气动力和铰链力矩的影响,发现冰脊的存在使得流场出现分离,机翼表面的压力分布遭到破坏,其中副翼后缘出现吸力峰,引起升力变小和阻力增加,研究还发现冰脊不但使副翼铰链力矩改变,而且使得副翼偏转相同角度时,铰链力矩梯度发生变化,会影响到飞机的操纵性能,给飞行安全带来隐患。(5)对积冰试验相似准则进行了系统研究,提出了一种改进的积冰试验相似准则,可应用于冰风洞试验,作为试验的理论基础和参数选取的依据。①阐述了建立相似准则的原则和方法,给出了相似参数的定义和推导公式;在总结分析国外的一些相似准则的基础上,给出了一种改进的积冰试验相似准则,该准则将动压相等的假设引入并作为建立相似准则的要求,从而将压力与速度关联起来,克服了AEDC和ONERA准则的不足。②根据本文提出的相似准则,建立了试验参数选取方法,并发展了相应的数值计算程序。③在没有冰风洞的情况下,首次提出采用数值方法对相似准则进行验证的思路,采用IRC对本文准则进行了验证,初步证明了本文准则的有效性。④对相似准则进行了应用,除了进行参数的选取,还给出了利用相似准则预估冰风洞高度模拟能力的方法,并对某设计中的冰风洞模拟能力进行了预估,其结果可作为冰风洞参数设计的参考。本文的研究涵盖了前缘积冰、冰脊和积冰试验相似准则三方面的内容,首次将数值手段用于计算冰脊和验证积冰试验相似准则,提出了一系列新的研究思路和方法。通过本文工作所获得的积冰及其影响规律、建立的积冰数值计算方法、发展的数值计算软件、提出的积冰试验相似准则,对于分析积冰对飞行安全的危害、防/除冰装置的设计、冰风洞试验等均具有重要价值。