俄罗斯新西伯利亚国立技术大学开发飞机结冰数值模拟技术

俄罗斯新西伯利亚国立技术大学（NSTU）开发出一套用于数值模拟飞机空气动力学表面结冰过程的新方法。该研究成果可广泛应用于飞机防冰系统的设计优化，以及对飞行器空气动力特性的精确评估。

“飞行过程中飞机表面结冰是严重影响飞行安全的关键因素之一，”技术科学副博士、副教授、新西伯利亚国立技术大学技术热物理学系主任马克西姆·戈尔巴乔夫指出。“大气中始终存在水蒸气，在特定的低温飞行条件下，水汽会在飞机表面凝结并形成冰层。这种冰层不仅改变翼型周围的流场结构，导致机翼升力下降、操控效率降低、发动机推力损失，还会加剧湍流尾迹，并因积冰增加飞机整体重量。”

“防冰系统的研发是一项极具挑战的任务。飞行试验并非可靠的研究手段，因为难以准确定位结冰云团的位置。相比之下，采用数值模拟技术来深入解析各类结冰与除冰机制，则更为高效可行，”马克西姆·戈尔巴乔夫进一步解释道。“在结冰建模研究中，核心目标在于揭示结冰现象的物理本质，并依据飞行条件与环境参数预测冰层生长的几何形态。为此，必须精确计算过冷水滴的运动轨迹，并确定其在空气动力学表面的撞击与沉积特性。”

针对翼型表面冰层生长动力学的建模采用迭代求解策略，主要包括以下关键步骤：首先，通过求解控制方程组，获得空气动力学表面附近的速度场、压力场、空气密度场等关键流场参数；随后，基于已知流场信息计算水滴的运动轨迹及其在表面的撞击分布；最终，模拟并预测冰层的形成过程与几何演化。

研究数据显示，在典型结冰条件下，带有冰形结构的空气动力学外形可能导致升力下降超过30%，阻力增加逾20%，具体数值取决于初始飞行参数与大气条件。

该研究成功实现了对结冰条件下空气动力学外形周围流场的精确模拟，并获得了冰层动态生长的可视化结果。所开发的数值方法已在二维与三维问题中通过系统性验证。研究团队下一步计划开展参数化研究，深入分析初始条件对结冰动态过程的影响规律，进而提出有效预防或减轻结冰的技术方案。

这项结冰过程数值模拟技术具备广泛的应用前景，不仅适用于各类有人/无人飞行器的防冰系统设计与气动特性评估，还可拓展至风力发电机、塔式起重机、桥梁及其他易受结冰影响的工程结构设计领域。

值得一提的是，此前新西伯利亚国立技术大学还曾开发出专门的计算模型，用于模拟冰雹撞击对飞机复合材料部件的影响，展现了该校在航空结冰研究领域的持续创新能力。