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飞机结冰一直是飞机设计、适航安全关注的重点问题之一,但现在严重结冰事故仍然时有发生。1994年Roselawn结冰空难及之后一系列事故显示飞机在粒径大于100μm的过冷大水滴环境中会产生异常的结冰现象,包括快速结冰、溢流脊状冰以及气动力快速下降等特征。目前美国联邦航空管理局（FAA）发布了140修正案,将过冷大水滴环境加入结冰适航要求,同时研究已部分揭示了异常冰形产生及其气动影响规律,但异常结冰的速度规律以及冰形气动随环境条件的协同变化规律仍未得到完整认知。针对上述问题,本文通过机理研究拓展了冰生长速度模型研究的过冷度范围,在此基础上研究了冰形状和气动特性随环境条件的协同变化规律,并对特定条件下异常冰导致的气动响应及非定常特征进行了探究。具体工作如下:第一:通过相场法,模拟了不同过冷度下冰枝生长的形态和速度规律。过冷水中冰生长形态具有枝状特征,当过冷度大于20K时,其速度规律的幂次关系从2.09变成了3.47,体现了异常快速结冰特征。随后通过热扩散长度和动力学过冷度两个关键影响因素随过冷度的变化规律解释了该快速生长现象;第二:基于上述获得的冰生长速度规律,将其应用于溢流结冰模型,定量化构建了相对溢流距离与过冷度和水含量之间的关系。当hf0/ΔT小于5×10-5 m/K时,会发生快速短距离结冰现象;当hf0/ΔT大于2.5×10-4 m/K时,会发生长距离溢流结冰现象,此时相对溢流距离为40m·s/kg。随后通过冰形模拟构建了冰角角度和溢流距离之间的关系,当相对溢流距离从30m·s/kg增大到40m·s/kg时(对应hf0/ΔT从2.0×10-4 m/K增大到2.5×10-4 m/K),冰角角度在10度左右发生了非线性增大。同时当冰角角度处于10度以上范围时,其对应的气动性能发生了非线性下降。上述分析给出了冰形和气动随环境条件的协同变化规律;第三:选择符合冰形气动协同规律范围内的冰形进行气动特性研究,本文使用IDDES湍流模型模拟了三维实际工况下冰角角度为26°的角冰和长距离溢流脊冰的流场,定量的给出了其气动损失以及失速攻角角度。随后重点探究了其中由非定常效应引起的气动力下降过程中的大幅波动现象,分别给出了表征非定常效应的常规模态和剪切层扑动模态,其对应的St数分别为0.56和0.028,上述研究验证了协同变化规律的正确性并揭示了气动损失及大幅波动的产生原理。综合上述研究,本文在以下两点取得了一定的创新性进展:第一:拓展了冰生长速度规律的过冷度范围,解释了快速结冰现象,获得了冰形状和气动特性随环境条件的协同变化规律。第二:研究了特定条件下异常结冰的气动响应,给出了角冰和脊冰主导非定常模态的特征。