非球形冰晶融化与形状演化特性数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32933

航空发动机防除冰技术专栏

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非球形冰晶融化与形状演化特性数值模拟

钟富豪¹, 刘秀芳¹^,²(), 陈佳军¹, 韩博¹, 方舟¹, 侯予¹^,²

^1.西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049
^2.西安交通大学深低温技术与装备教育部重点实验室，西安 710049

收稿日期:2025-10-17 修回日期:2025-12-02 接受日期:2025-12-25 出版日期:2026-01-12 发布日期:2026-01-09
通讯作者: 刘秀芳 E-mail:liuxiufang@mail.xjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52476018);国家科技重大专项（J2019-Ⅲ-0010-0054）

Numerical simulation of melting and shape evolution characteristics of non-spherical ice crystals

Fuhao ZHONG¹, Xiufang LIU¹^,²(), Jiajun CHEN¹, Bo HAN¹, Zhou FANG¹, Yu HOU¹^,²

^1.School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China
^2.Key Laboratory of Cryogenic Technology and Equipment of Ministry of Education，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

Received:2025-10-17 Revised:2025-12-02 Accepted:2025-12-25 Online:2026-01-12 Published:2026-01-09
Contact: Xiufang LIU E-mail:liuxiufang@mail.xjtu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52476018);National Science and Technology Major Project of China （J2019-Ⅲ-0010-0054）

摘要/Abstract

摘要：

为探究热气流环境中非球形冰晶的融化特性与形状演化规律，基于流动与相变传热的解耦策略，发展了非球形冰晶融化模型，实现了气-液-固三相耦合传热问题的求解。结果表明，所建立的模型能精确预测冰晶融化的形状演化全过程，且融化时间的预测值与试验值吻合良好，偏差在±15%以内。冰晶形状演化经历3个阶段：初始升温阶段形态保持稳定，部分水覆盖阶段液态水局部覆盖冰芯表面，完全水覆盖阶段液态水完整包裹冰芯。初始长宽比是主导形状演化的关键因素，初始长宽比越大，冰晶演化为球形所需的时间越长。进一步构建了无量纲球形度与融化率之间的经验关联式，突破了传统线性近似模型对高长宽比（初始长宽比λ>2）冰晶的预测局限，显著提升了计算精度。

关键词: 冰晶结冰, 非球形, 形状演化, 融化模型, 多相传热

Abstract:

To investigate the melting characteristics and shape evolution of non-spherical ice crystals in hot airflow environment， a melting model for non-spherical ice crystals was developed based on a decoupling strategy for flow and phase-change heat transfer， enabling a solution to the complex heat transfer problem involving gas-liquid-solid coupling. The results demonstrate that the proposed model accurately predicts the shape evolution process during ice crystal melting， and the predicted melting time agrees well with experimental results， with a deviation of ±15%. The shape evolution of non-spherical ice crystals undergoes three distinct stages： an initial warming stage where the shape remains stable， a partial water coverage stage where liquid water partially covers the ice core surface， and a complete water coverage stage where the ice core is fully enveloped. The initial aspect ratio is identified as the key factor governing the shape evolution during melting. A larger initial aspect ratio results in a longer time required for the ice crystal to evolve into a spherical shape. Furthermore， an empirical correlation between dimensionless sphericity and the melting ratio was established， overcoming the limitations of the traditional linear approximation model for high-aspect-ratio （initial aspect ratio λ > 2） ice crystals and significantly improving computational accuracy.

Key words: ice crystal icing, non-spherical, shape evolution, melting model, multiphase heat transfer

中图分类号:

V233.94

钟富豪, 刘秀芳, 陈佳军, 韩博, 方舟, 侯予. 非球形冰晶融化与形状演化特性数值模拟[J]. 航空学报, 2026, 47(11): 632933.

Fuhao ZHONG, Xiufang LIU, Jiajun CHEN, Bo HAN, Zhou FANG, Yu HOU. Numerical simulation of melting and shape evolution characteristics of non-spherical ice crystals[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(11): 632933.

图/表 13

图 1

表 1

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参考文献 44

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Numerical simulation of melting and shape evolution characteristics of non-spherical ice crystals

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[1]	刘宗辉, 卜雪琴, 包佳仪, 林贵平. 部分融化冰晶撞击表面临界破碎速度实验[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 131558-131558.
[2]	卜雪琴, 黄平, 林贵平, 楼燕霞. 多步法冰晶积冰数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 129308-129308.