沈 浩,韓冰冰,張麗芬

(1.中國(guó)民用航空上海航空器適航審定中心,上海 200335;2.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院,西安 710072)

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰是飛機(jī)安全飛行的一個(gè)重要隱患。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰輕則引起壓氣機(jī)失速、喘振，重則引起空中停車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損傷，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性后果。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰是指發(fā)動(dòng)機(jī)裸露表面的結(jié)冰[1]，如發(fā)動(dòng)機(jī)整流帽罩、進(jìn)口支板、導(dǎo)葉等，這些區(qū)域通常采用熱空氣[2-4]、電加熱[5]或者熱滑油[6]進(jìn)行防冰，因此危害可提前預(yù)防。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)結(jié)冰不容易被探測(cè)，也無(wú)法提前預(yù)防，即使飛行員發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)結(jié)冰，也很難采取有效措施，因此其危害遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰。一般認(rèn)為經(jīng)過(guò)風(fēng)扇壓縮后的空氣溫度會(huì)高于零度，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮部件不會(huì)發(fā)生結(jié)冰。而近年來(lái)通過(guò)對(duì)多起發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失事件的研究[7]，人們發(fā)現(xiàn)低壓壓氣機(jī)甚至高壓壓氣機(jī)前幾級(jí)都可能發(fā)生結(jié)冰，并且冰晶是導(dǎo)致壓氣機(jī)結(jié)冰的罪魁禍?zhǔn)譡8]。冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰研究比傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰研究更為復(fù)雜，涉及的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)問(wèn)題更多。因此，冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域面臨的一個(gè)新的課題和挑戰(zhàn)。

本文對(duì)冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰研究文獻(xiàn)進(jìn)行收集整理，分析目前的研究狀況及研究中存在的一些問(wèn)題，期望能夠引起相關(guān)科研工作者的關(guān)注和重視。

1 冰晶的特點(diǎn)及危害

冰晶一般發(fā)生在6700 m以上具有強(qiáng)對(duì)流特性的云層中[9]，這一高度已經(jīng)達(dá)到了液態(tài)水存在的上限，因此液態(tài)水含量幾乎為零。從圖1中可以看出,絕大部分壓氣機(jī)結(jié)冰導(dǎo)致的推力損失事件都發(fā)生在FAA聯(lián)邦航空條例(FAR-25)附錄C規(guī)定的連續(xù)最大結(jié)冰和間斷最大結(jié)冰包線之外。這說(shuō)明冰晶存在的區(qū)域不同于過(guò)冷水滴。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失和發(fā)動(dòng)機(jī)損傷事件發(fā)生的高度和溫度范圍[10]Fig.1 Altitude and temperature of engine power loss and damage events[10]

冰晶一旦形成，其含量最高可達(dá)9 g/m3，平均粒徑最大可達(dá)200 μm[10]。其含量高、粒徑大的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的過(guò)冷水滴也有很大區(qū)別。冰晶撞擊到飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼等迎風(fēng)部件時(shí)，由于其表面溫度很低，冰晶不會(huì)黏結(jié)在物體表面，因此不會(huì)引起飛機(jī)結(jié)冰。而冰晶進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部則可能出現(xiàn)先融化再黏附凍結(jié)的現(xiàn)象，可能引起低壓壓氣機(jī)甚至高壓壓氣機(jī)的前幾級(jí)結(jié)冰。圖2是一個(gè)典型的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)潛在結(jié)冰位置的示意圖。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口部件是過(guò)冷水滴的結(jié)冰區(qū)域，而低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)的前幾級(jí)是可能發(fā)生冰晶結(jié)冰的區(qū)域。這說(shuō)明冰晶與過(guò)冷水滴導(dǎo)致的結(jié)冰范圍明顯不同。冰晶在穿越壓氣機(jī)的過(guò)程中，由于周?chē)諝鉁囟雀哂? ℃，表面逐漸融化成水膜，粒徑變小，在氣動(dòng)力作用下表面水膜可能剝離形成小水滴，因此發(fā)動(dòng)機(jī)攝入冰晶研究是空氣-冰晶-水滴三相混合流動(dòng)，比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰中空氣-水滴兩相流研究更加復(fù)雜。另外冰晶融化、表面水膜剝離形成的小水滴撞擊在壓氣機(jī)葉片上逐漸積累會(huì)形成水，后續(xù)的冰晶撞擊水膜的過(guò)程中可能發(fā)生冰晶的破碎、反彈、黏附和水膜的飛濺等，這一過(guò)程比一般過(guò)冷水滴撞擊壁面的過(guò)程更復(fù)雜。

冰晶引起的壓氣機(jī)結(jié)冰可導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振、發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)、燃燒室熄火以及發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損傷等[11]，這些都會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失，甚至更嚴(yán)重的后果。冰晶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在危害必須引起重視，雖然目前尚無(wú)冰晶結(jié)冰導(dǎo)致的飛行事故報(bào)道，但是由冰晶結(jié)冰引起的發(fā)動(dòng)機(jī)故障卻時(shí)有發(fā)生[10-11]，NASA為此部署了詳細(xì)的研究計(jì)劃[12]，并與NRCC(加拿大國(guó)家研究委員會(huì))展開(kāi)了合作研究[13]。另外，文獻(xiàn)[11]指出60%壓氣機(jī)結(jié)冰導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失事件發(fā)生在亞太地區(qū)，其原因可能是因?yàn)楹Ｋ砻鏈囟雀?，易引發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，使高海拔的云層中產(chǎn)生冰晶結(jié)冰條件，而我國(guó)正處于這一區(qū)域，因此有必要開(kāi)展這一研究。

圖2 典型的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)空氣壓縮系統(tǒng)圖(潛在結(jié)冰位置)[11]Fig.2 Schematic of typical turbofan engine compression system with potential ice accretion sites noted[11]

2 冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰研究

早在20世紀(jì)80年代初期，一架大型運(yùn)輸機(jī)曾經(jīng)在8500 m的高空發(fā)生過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失故障，當(dāng)時(shí)的研究者曾考慮過(guò)是否是冰晶的影響，但由于無(wú)法解釋冰晶導(dǎo)致結(jié)冰的原因，研究被擱淺。20世紀(jì)90年代以來(lái)，不斷發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失故障,迫使研究者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入研究。直到2002年，研究者才證實(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效的結(jié)冰不只是過(guò)冷水，還包括冰晶，但當(dāng)時(shí)冰晶導(dǎo)致結(jié)冰的原因尚不明確[10]。2006年，Mason[10]對(duì)46起發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失事件進(jìn)行了總結(jié)分析，明確了冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰是引起發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失的原因，并對(duì)冰晶引起結(jié)冰的過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。Mason認(rèn)為冰晶進(jìn)入壓氣機(jī)后，由于周?chē)諝鉁囟雀哂诒c(diǎn)，部分冰晶融化，在葉片表面形成水膜，后續(xù)冰晶撞擊到葉片表面時(shí)，由于水膜的存在，部分冰晶即“黏附”在表面，并發(fā)生熱量交換，由于不斷有冰晶通過(guò)撞擊黏附在葉片表面，與周?chē)ぜ叭~片發(fā)生熱量交換，因此溫度不斷降低，當(dāng)葉片表面溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，水開(kāi)始凝固成冰。Mason的分析與FAA的專家在研究相似類型的高空發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)得出的結(jié)論是一致的[14]。從此，冰晶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的威脅引起了人們的重視和研究興趣[15-17]。

2.1 試驗(yàn)研究

美國(guó)和加拿大率先就這一問(wèn)題展開(kāi)了試驗(yàn)研究[18-22]。NRCC建立了模擬冰晶結(jié)冰環(huán)境的試驗(yàn)臺(tái)架[23]。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括：送冰、研磨、冰粒攝入等3個(gè)部分，如圖3所示。這3部分均可獨(dú)立控制測(cè)試參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)單次運(yùn)行最高送冰量為200 kg，經(jīng)研磨后的冰粒中位質(zhì)量直徑MMD (Median Mass Diameter)為100～300 μm。該系統(tǒng)還安裝有8個(gè)空氣霧化噴嘴，霧化后的水滴粒徑為20～40 μm。

圖3 NRCC高空測(cè)試試驗(yàn)室安裝的冰晶測(cè)試系統(tǒng)[23]Fig.3 Ice crystal test system installed in the NRCC research altitude test facility[23]

Fuleki等[23-25]通過(guò)試驗(yàn)再現(xiàn)了溫度高于冰點(diǎn)時(shí)冰晶結(jié)冰的現(xiàn)象，證實(shí)了Mason分析的合理性。2009年，波音公司聯(lián)合NRCC和NASA研究了典型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣處冰晶的結(jié)冰[25]。研究者認(rèn)為冰晶結(jié)冰量是液態(tài)水含量和總水含量比例(LWC/TWC)的函數(shù)，如圖4所示，下限為液態(tài)水很少不足以黏附冰晶發(fā)生結(jié)冰，上限是液態(tài)水含量過(guò)多，冰晶融化后不足以使水膜溫度降低到冰點(diǎn)而結(jié)冰，上下限之間是最容易產(chǎn)生冰晶結(jié)冰的比例范圍。

圖4 給定總壓，總溫，液態(tài)水含量，總水含量和馬赫數(shù)下的最佳冰晶結(jié)冰條件概念曲線 [25]Fig.4 Conceptual curve showing optimal ice-crystal icing conditions for a given pt,Tt,LWC,TWC,and Mach number[25]

在證實(shí)冰晶確實(shí)可以導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰這一事實(shí)后，研究者開(kāi)始關(guān)注不同因素對(duì)冰晶結(jié)冰的影響。冰晶存在的環(huán)境下，結(jié)冰的發(fā)生需要以冰-水共存的混合相為前提。在壓氣機(jī)內(nèi)高于冰點(diǎn)的環(huán)境溫度中，冰晶的融化為結(jié)冰提供了條件。濕球溫度、壓力、LWC/TWC和粒徑等是影響冰晶結(jié)冰的關(guān)鍵因素，而這些因素之間又有一定的聯(lián)系。Currie等[26]研究了濕球溫度(Twb)對(duì)積冰的影響。研究證實(shí)Twb<0 ℃時(shí)，可以獲得黏附性良好的積冰，但是當(dāng)LWC/TWC足夠大時(shí)，即使Twb<0 ℃，黏附性仍會(huì)較差。Twb>0 ℃時(shí)，即使空氣中僅含有冰晶，由于冰晶的融化，也會(huì)發(fā)生稀松的積冰。濕球溫度對(duì)冰晶融化率的影響非常大[27]，濕球溫度從-1 ℃增加到2 ℃時(shí),融化率增加了13%。而積冰率和冰脫落對(duì)融化率非常敏感[24]。同時(shí)，粒徑對(duì)融化率也有影響，小粒徑融化率更高，而大粒徑融化率較低。

壓力對(duì)冰晶結(jié)冰的影響主要表現(xiàn)在壓力影響濕球溫度。Struk等[25]在總壓為45 kPa時(shí)，得到了黏附性良好的結(jié)冰，3 min內(nèi)前緣冰的增長(zhǎng)厚度超過(guò)了15 mm;而在總壓為93 kPa時(shí)，只在葉片前緣極小部分有積冰。在Struk等研究的試驗(yàn)工況下，93 kPa時(shí)，濕球溫度高于冰點(diǎn)；而45 kPa時(shí)，濕球溫度低于冰點(diǎn)。

Knezevici等[27]通過(guò)試驗(yàn)研究分析了冰晶粒徑對(duì)結(jié)冰表面的侵蝕作用。研究發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖5)，在相同的冰晶質(zhì)量流率下，冰晶粒子直徑較小時(shí)，侵蝕效果比較弱，積冰量較多；隨著冰晶粒徑增加，侵蝕效果愈發(fā)明顯，使積冰量減少。

圖5 濕球溫度為2 ℃時(shí)不同中位質(zhì)量直徑冰晶積聚示例[27]Fig.5 Sample accretion for different crystal MMD at Twb =2 ℃[27]

Bartkus[28]對(duì)混合相云霧進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)溫度和濕度變化時(shí)，濕球溫度基本保持不變或有少許增長(zhǎng)。另外,濕球溫度對(duì)于云霧中相的變化是一個(gè)很大的影響因素。Struk[29]繼續(xù)開(kāi)展了云霧凍結(jié)特性研究，并且進(jìn)行了混合相云霧在NACA0012翼型上的結(jié)冰研究，發(fā)現(xiàn)冰型有以冰晶侵蝕為特征的箭頭樣結(jié)冰，也有過(guò)冷水滴特征的雙角冰型。

已開(kāi)展的試驗(yàn)研究對(duì)影響冰晶結(jié)冰的多種因素進(jìn)行了初步分析，得到定性的結(jié)論，同時(shí)在研究中更新和發(fā)展了模擬冰晶結(jié)冰的試驗(yàn)裝置和方法[30-31]。如發(fā)展了冰晶粒徑測(cè)量方法[32]，混合相云霧參數(shù)測(cè)量方法，結(jié)冰生長(zhǎng)率測(cè)量方法[13]，以及滯止壓力、溫度、馬赫數(shù)能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)測(cè)試冰晶現(xiàn)象的新裝置[33]等。

2.2 數(shù)值研究

冰晶引起的壓氣機(jī)結(jié)冰數(shù)值研究[34]主要包括冰晶的動(dòng)力學(xué)研究和熱力學(xué)研究。

2.2.1 冰晶動(dòng)力學(xué)數(shù)值研究

冰晶的動(dòng)力學(xué)研究包括空氣與冰晶之間的相互作用，以及冰晶在結(jié)冰表面的黏附、反彈和水膜表面的飛濺等。

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰流場(chǎng)是空氣-水滴兩相流，水滴的含量較低，一般水滴對(duì)空氣的作用可以忽略。而冰晶在空氣中的含量較高，最高可達(dá)9 g/m3，且冰晶的粒徑也較大，最大可達(dá)200 μm，因此冰晶與空氣之間的相互作用機(jī)理不同于傳統(tǒng)的空氣-水滴之間的關(guān)系。是否考慮冰晶對(duì)空氣的影響是空氣-冰晶流動(dòng)中首先要解決的問(wèn)題，而目前這一問(wèn)題沒(méi)有一致的結(jié)論。Ríos等[35]認(rèn)為冰晶會(huì)影響空氣的流動(dòng)，因此理論上應(yīng)該采用雙向耦合的方法，但在研究50、100、150和200 μm的非球形冰晶的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，僅采用了單向耦合的方法。Ríos[36]對(duì)冰晶的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，根據(jù)顆粒間距定義了稠密離散相流動(dòng)和稀疏離散相流動(dòng)，并指出冰晶存在的兩相流中，應(yīng)該采用雙向耦合的稀疏離散相流動(dòng)，即考慮冰晶對(duì)空氣的影響。Kundu等[37]計(jì)算分析了單向耦合和雙向耦合的差異，發(fā)現(xiàn)采用雙向耦合時(shí)，溫降更大，指出含有冰晶的多相流計(jì)算需要采用雙向耦合。Nilamdeen等[34,38]則認(rèn)為冰晶雖然粒徑大、含量高，但是仍然滿足單項(xiàng)耦合計(jì)算的條件，并采用這一方法對(duì)空氣、水滴、冰晶三相共存的流場(chǎng)進(jìn)行了研究。綜上所述,目前對(duì)空氣-冰晶的兩相流計(jì)算大多采用單向耦合的計(jì)算方法，僅有少量研究開(kāi)展了雙向耦合計(jì)算?？諝?冰晶相間是否需要耦合的判據(jù)、理論基礎(chǔ)以及計(jì)算方法仍需要深入研究。

空氣對(duì)冰晶作用力的大小與冰晶的形狀密切相關(guān)。傳統(tǒng)結(jié)冰計(jì)算的空氣-水滴兩相流中(不考慮SLD)，一般假設(shè)水滴為球形，不考慮變形和破碎。由于水滴的尺寸較小，因此這一假設(shè)是合理的。而冰晶的粒徑較大、形狀與球形的假設(shè)相差較多，并且運(yùn)動(dòng)中有可能發(fā)生破碎，因此準(zhǔn)確描述空氣對(duì)冰晶的作用力是空氣-冰晶兩相流研究需要解決的另一個(gè)問(wèn)題。Wright等[39]假設(shè)冰晶始終保持球形，不考慮冰晶的變形及受到空氣剪切作用可能發(fā)生的破碎，計(jì)算了冰晶直徑為200 μm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)分離唇口的收集效率;Kundu[37]同樣采用了球形假設(shè)，計(jì)算了從25.3～253 μm呈R-R分布的冰晶的運(yùn)動(dòng)。采用球形假設(shè)是一種最簡(jiǎn)單的處理方式，但是對(duì)于粒徑較大的冰晶仍采用球形假設(shè)，勢(shì)必帶來(lái)計(jì)算的不準(zhǔn)確。Ríos[36]和Nilamdeen[38]對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，假設(shè)冰晶的形狀為具有固定長(zhǎng)寬比E的扁圓球，并且根據(jù)冰晶可能的形狀確定E的范圍為0.05～0.20，計(jì)算了冰晶直徑為150和200 μm時(shí)，NACA0012翼型的撞擊范圍和冰型。Veillard[9]引入了六棱柱冰晶的拖曳力計(jì)算公式，適用冰晶的雷諾數(shù)為0.2～150.0。目前的研究針對(duì)非球形冰晶，主要采用的是扁圓形和六棱柱的拖曳力系數(shù)。自然環(huán)境中冰晶的形狀多種多樣，如何計(jì)算真實(shí)非球形冰晶的運(yùn)動(dòng)軌跡依然是個(gè)挑戰(zhàn)。

冰晶撞擊到物體表面后會(huì)發(fā)生反彈、黏附、破碎，當(dāng)表面有水膜存在時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水膜的飛濺等。已開(kāi)展的研究對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了較大程度的簡(jiǎn)化。Nilamdeen[38]考慮了冰晶反彈的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，但進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即在霜冰區(qū)域完全反彈，在有水膜的區(qū)域則完全黏附，而未考慮水膜的飛濺效應(yīng)。Wright[39]分析了冰晶撞擊結(jié)冰表面可能發(fā)生的各種物理現(xiàn)象，如：冰晶撞擊液膜表面發(fā)生黏附后，可能只有部分融化，未融化部分如何處理；冰晶反彈引起的液膜能量和質(zhì)量的變化；冰晶撞擊引起的液膜飛濺的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)等。但在研究中將以上問(wèn)題要么忽略要么簡(jiǎn)化。冰晶撞擊壓氣機(jī)葉片表面的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)目前僅停留在對(duì)這一現(xiàn)象的定性分析，深入、定量的試驗(yàn)研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。

2.2.2 冰晶熱力學(xué)數(shù)值研究

冰晶在穿過(guò)壓氣機(jī)的過(guò)程中升華，或者吸收周?chē)諝獾臒崃堪l(fā)生融化，形成一層包裹冰晶的水膜，之后水膜會(huì)蒸發(fā)，并與周?chē)諝鈸Q熱。當(dāng)冰晶穿過(guò)壓氣機(jī)且沒(méi)有完全融化時(shí)，可能會(huì)進(jìn)入燃燒室，使燃燒室溫度降低，甚至導(dǎo)致燃燒室熄火。另外，冰晶撞擊到具有水膜的葉片表面時(shí)會(huì)發(fā)生黏附，繼而與周?chē)乃ず涂諝獍l(fā)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，最終導(dǎo)致積冰。冰晶熱力學(xué)數(shù)值研究包含了冰晶融化、凍結(jié)等一系列過(guò)程。

(1) 冰晶融化的數(shù)值研究

冰晶融化的數(shù)值研究主要為一維計(jì)算。Lou[40]研究了冰晶穿過(guò)壓氣機(jī)的一維傳熱傳質(zhì)過(guò)程，考察了表面有無(wú)水膜的2種冰晶模型(見(jiàn)圖6)。結(jié)果表明，表面有水膜的冰晶融化率更大；初始冰晶直徑越大，融化率越小。根據(jù)文中給出的壓氣機(jī)尺寸及工作參數(shù)，初始冰晶為200 μm時(shí)，到達(dá)燃燒室時(shí)冰晶直徑為初始直徑的65%。此外，有研究者在冰晶融化的一維計(jì)算中將冰晶的融化過(guò)程與壓氣機(jī)的特性計(jì)算耦合起來(lái)，充分考慮壓氣機(jī)內(nèi)的溫度、速度變化對(duì)冰晶融化的影響。Veres[41]對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)特定位置結(jié)冰的可能性進(jìn)行了一維的預(yù)測(cè)，結(jié)果表明評(píng)估冰晶結(jié)冰的2個(gè)參數(shù)非常關(guān)鍵，即當(dāng)?shù)貪袂驕囟纫咏虻陀诒c(diǎn)溫度、最小的當(dāng)?shù)厝诨矢哂?0%。特定位置達(dá)到這樣2個(gè)條件即認(rèn)為可能發(fā)生結(jié)冰。Bidwell[42]計(jì)算了冰晶尺寸為5、20和100 μm，冰晶含量為0.3 g/m3時(shí)，冰晶穿過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)的傳熱傳質(zhì)情況，結(jié)果表明，較大粒徑的冰晶在穿過(guò)低壓壓氣機(jī)時(shí)獲取的加熱量較少，只有最小的5 μm小冰晶能夠融化，但是融化量較小，平均融化系數(shù)只有0.836。董威等[43]分析了冰晶在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道的運(yùn)動(dòng)和融化過(guò)程，結(jié)果表明，冰晶半徑越大，溫度升高越慢，液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，壓氣機(jī)葉片發(fā)生黏附結(jié)冰現(xiàn)象的可能性越小。

圖6 無(wú)水膜模型和有水膜模型[40]Fig.6 Model without water film and with water film[40]

已開(kāi)展的研究注重從傳熱傳質(zhì)、相變的角度去探究冰晶的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，而冰晶在壓氣機(jī)內(nèi)的融化是伴隨著運(yùn)動(dòng)、撞擊、破碎的復(fù)雜過(guò)程。由于這一過(guò)程中運(yùn)動(dòng)和傳熱傳質(zhì)的復(fù)雜性，以及對(duì)冰晶的運(yùn)動(dòng)尚缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，因此完整模擬冰晶在壓氣機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)、撞擊、破碎、融化的過(guò)程還面臨較大難度。

(2) 冰晶凍結(jié)的熱力學(xué)模型

目前對(duì)冰晶凍結(jié)的熱力學(xué)模型研究主要是對(duì)已有的結(jié)冰熱力學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)，如Ríos等[36]的研究。Rios等將冰晶積冰分為2個(gè)階段，如圖7所示：第一階段是冰晶在葉片表面形成水膜，第二階段是后續(xù)的冰晶被水膜“捕獲”，之后利用改進(jìn)的Messinger熱力學(xué)模型計(jì)算積冰。

圖7 冰晶積冰的2個(gè)階段[36]Fig.7 The two stages of ice crystal icing[36]

Nilamdeen等[34]在FENSAP-ICE基礎(chǔ)上發(fā)展了針對(duì)空氣-水滴-冰晶的混合相結(jié)冰的熱力學(xué)模型，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，僅對(duì)NACA0012翼型混合相結(jié)冰進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，由于沒(méi)有考慮反彈，高估了積冰量。Tsao[44]建立了描述渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)內(nèi)未加熱表面冰晶結(jié)冰的熱力學(xué)模型。該模型將冰晶結(jié)冰分為2種典型過(guò)程：(1) 當(dāng)“表面凍結(jié)系數(shù)”在0和1之間時(shí)，熱力學(xué)過(guò)程由水的凍結(jié)主導(dǎo)，此時(shí)形成黏附性強(qiáng)的結(jié)冰；(2) 當(dāng)“表面融化系數(shù)”在0和1之間時(shí)，熱力學(xué)過(guò)程由冰晶的進(jìn)一步融化主導(dǎo)，此時(shí)形成黏附性弱的疏松結(jié)冰。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為，該模型能夠捕捉到不同結(jié)冰條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)目標(biāo)區(qū)域冰晶結(jié)冰過(guò)程的一些重要定性趨勢(shì)。

冰晶凍結(jié)的熱力學(xué)模型與冰晶撞擊表面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程是密不可分的，目前對(duì)于冰晶撞擊表面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程沒(méi)有公認(rèn)的結(jié)論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此精確的熱力學(xué)模型研究還存在一定困難。

3 冰晶結(jié)冰研究展望

發(fā)動(dòng)機(jī)攝入冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象已被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛認(rèn)識(shí)，并逐步得到了重視。雖然對(duì)于冰晶結(jié)冰已開(kāi)展了試驗(yàn)和數(shù)值研究，但是關(guān)于冰晶結(jié)冰仍有一些機(jī)理性的問(wèn)題尚待解決：

(1) 在與空氣的相互作用機(jī)理研究中，幾乎都忽略了冰晶對(duì)空氣的作用，并且假設(shè)冰晶為球形或扁球形，未考慮冰晶受剪切力發(fā)生的破碎。毋庸置疑，增加冰晶對(duì)空氣的作用研究，并開(kāi)展空氣對(duì)非球形冰晶的作用機(jī)理研究以及冰晶的破碎機(jī)理研究將更具有實(shí)際意義。

(2) 冰晶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的蒸發(fā)與相變研究。冰晶在壓氣機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相變與蒸發(fā)決定了撞擊葉片前的狀態(tài)，這一研究是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冰晶撞擊與凍結(jié)的基礎(chǔ)。

(3) 冰晶與表面作用機(jī)理研究。目前的研究對(duì)冰晶撞擊表面進(jìn)行了簡(jiǎn)單處理，認(rèn)為要么反彈，要么黏附，對(duì)冰晶撞擊到水膜表面時(shí)飛濺的水滴質(zhì)量進(jìn)行粗略估計(jì)，而冰晶反彈判定準(zhǔn)則、表面水膜是否足以黏附一定粒徑的顆粒、撞擊的能量是否足以引起水膜飛濺等沒(méi)有進(jìn)行深入研究，這些問(wèn)題的研究有助于準(zhǔn)確預(yù)估表面的結(jié)冰量。

(4) 冰晶在葉片表面結(jié)冰的熱力學(xué)模型研究。已開(kāi)展的研究?jī)H對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)冰熱力學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)，但沒(méi)有考慮冰晶融化、部分融化、撞擊表面帶來(lái)的質(zhì)量和能量的變化對(duì)積冰的影響。定量研究對(duì)評(píng)估冰晶的危害更具有指導(dǎo)意義。

(5) 試驗(yàn)研究對(duì)影響冰晶結(jié)冰的不同因素進(jìn)行了分析，并得到了定性的結(jié)論，但是各影響因素的定量研究需要進(jìn)一步開(kāi)展。

(6) 國(guó)內(nèi)需要具備開(kāi)展冰晶結(jié)冰試驗(yàn)研究的能力，建立能夠準(zhǔn)確模擬冰晶結(jié)冰過(guò)程的試驗(yàn)臺(tái)，發(fā)展混合相云霧參數(shù)的測(cè)試技術(shù)和設(shè)備，為深入、定量開(kāi)展冰晶結(jié)冰影響因素研究提供支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰已開(kāi)展了較為深入的研究，并且制定了與冰晶結(jié)冰相關(guān)的適航規(guī)章。如2014年FAA正式發(fā)布了25-140號(hào)和33-34號(hào)修正案，其中包含了冰晶氣象條件下的要求[45]。而我國(guó)目前冰晶結(jié)冰研究剛剛起步[46]，僅僅開(kāi)展了初步的數(shù)值研究[43,47-48]，試驗(yàn)研究幾乎是空白，更沒(méi)有相關(guān)的適航規(guī)章。冰晶導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)冰比過(guò)冷水滴結(jié)冰問(wèn)題更復(fù)雜，涉及到的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)問(wèn)題更多。這一問(wèn)題應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)科研人員重視，并積極開(kāi)展關(guān)于冰晶結(jié)冰的基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用研究，為適航審定研究提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。