ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
Numerical simulation of melting and shape evolution characteristics of non-spherical ice crystals
Received date: 2025-10-17
Revised date: 2025-12-02
Accepted date: 2025-12-25
Online published: 2026-01-09
Supported by
National Natural Science Foundation of China(52476018);National Science and Technology Major Project of China （J2019-Ⅲ-0010-0054）
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.
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