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國立成功大學航空太空工程學系碩士論文機翼上積冰之預測及其空氣動力性能之衰減PredictionsofIceAccretiononAirfoilsandAirfoilAerodynamicPerformanceDegradationDuetoIcing研究生:謝育樹指導教授:謝勝己中華民國九十二年七月簽署人須知1.依著作權法的規定，任何單位以網路、光碟與微縮等方式整合國內學術資料，均須先得到著作財產權人授權，請分別在三種利用方式的同意欄內鉤選並填妥各項資料。我國博碩士論文八十二年度以前摘要資料庫及八十四學年度以後全文資料微片目錄資料庫以上載於行政院國家科學委員會科學技術資料中心網站，八十一學年度以後摘要資料庫以上載於教育部國家圖書館網站所謂非專屬授權是指被授權人所取得的權利並非獨佔性的使用權，授權人尚可將相同的權利、重複授權給他人使用；反之即為專屬授權，如果你已簽署專屬授權書予其他法人或自然人，請勿簽署本授權書，著作人日後不可以主張終止本授權書，但您仍可授權其他法人或自然人上述的行為。3.全國博碩士論文全文資料微縮片整合計畫的宏觀效益：在個人方面，您的論文將可永久保存（微縮技術在理論上可保存八百年，實證已逾百年），也因為您的授權，使得後進得以透過電腦網路與光碟多管道檢索，您的論文將因而被充分利用。在國家總體利益方面，紙本容易因影印而造成裝訂上的傷害，圖書館中孤本的公開陳列與外借也有破損之虞，唯有賴政府全面性的整合，借助科技設備才能一舉完成保存與利用的全方位效益，回憶您過去尋找資料之不便經驗，學弟與學妹確實需要您的論文與授權書。I中文摘要題目：機翼上積冰之預測及其空氣動力性能之衰減研究生：謝育樹指導教授：謝勝己教授本文利用數值方法模擬二維NACA-0012機翼積冰後之外形並求出其機翼剖面升力係數，來探討積冰後之外形對空氣動力性能之影響。積冰模擬之數值分析分為四個部分：第一為流場的計算，求解出紊流之ReynoldsAveragedNavier-Stokes方程組，得到NACA-0012於低速飛行時之流場現象。第二為水滴軌跡的計算，將水滴軌跡運動方程式帶入流場解即可獲得水滴之運動軌跡，並判斷水滴是否會撞擊到翼表面，進而計算出撞擊在翼面上局部之水滴量，亦即聚集效率。第三為利用質量、能量守恆來計算水滴結冰過程局部之積冰量，並模擬出積冰外形。第四為利用流片法計算出機翼積冰後之翼剖面壓力係數，並積分求得升力係數。本文研究目的在探討在兩種不同的大氣條件下造成不同的積冰型態。形成霜狀冰與清透冰之參數包含大氣溫度、自由流速度、雲層之水含量、水滴大小等，其中影響最大的是大氣溫度。當大氣溫度越接近水的凝固點時，越容易形成清透冰似角狀之特徵外形。此類積冰結構大大的改變原有機翼前緣之幾何形狀，造成升力係數下降。若大氣溫度越低於水的凝固點時，則形成較具規則形狀之霜狀冰外形，但升力係數的減少不如清透冰來的大。IIAbstractsubject：PredictionsofIceAccretiononAirfoilsandAirfoilAerodynamicPerformanceDegradationDuetoIcingStudent：YuS.HsiehAdvisor：Prof.Sheng-JiiHsiehInthisstudy,anumericalmethodisdevelopedtosimulatethetwo–dimonsionalshapeofairfoilaftericing,andtocomputetheairfoilaerodynamicliftcoefficientdegradingduetoicing.Thenumericalanalysisoficeaccretionsimulationisdividedintofourparts：(1)Thecalculationoflow-speedflowfieldbyusingturbulentReynoldsAveragedNavier-StokesequationssolvertoobtainthephenomenonofflowfieldoverNACA-0012section.(2)Theresultsofthewaterdroplettrajectoriesbytheequationofmotionintheflowfieldasobtainedinpart1determinethedropletsimpingementontheairfoil,andthentoevaluatetheamountofwaterthataccretesontheairfoil,i.e.,thecollectionefficiency.(3)Employingthemassandenergyconservationlawstocalculatethelocalquantityoficeaccretionduringtheprocessoffreezing,andtosimulatetheshapeoftheice.(4)Usingthepanelmethodtoevaluatetheairfoilpressurecoefficientandtheliftcoefficientaftericing.Theobjectiveofthisstudyistoinvestigatethedifferenttypesoficeaccretionundertwodifferentatmosphericconditions,whichcausetherimeiceandtheglazeiceontheairfoil.Thereareseveralparametersintheiceaccretion,suchastheairtemperature,freestreamvelocity,liquidwaterIIIcontentandthedropletsize,etc.However,themainparameteristheairtemperature.Theglazeiceischaracterizedbythehornedshapewhentheairtemperatureisaroundthefreezingpoint.Formationoftheglazeicechangestheshapeofleadingedgeofairfoilgreatly,anddegradestheliftcoefficientandchangestheairfoilaerodynamicperformance.Asfortherimeicecase,itformssomeregularshapeatlowerairtemperatureunderfreezingpoint,anddegradationofliftcoefficientisnotworsethantheglazeiceis.IV誌謝從小對飛機般這樣的龐然大物以及大自然的物理現象有著濃厚的興趣，直到唸碩士班能真正進入航太的領域，一路走來，伴隨著夢想，以及家人無盡的愛與包容。此論文之研究承蒙指導教授謝勝己博士的悉心指導、訂正，使臻於成。不論在學業或生活上都使我得到許多的成長，學生在此致上最高的敬意與謝忱。此外，亦感謝成功大學航太所鄭育能教授、尤芳忞教授對於此論文的寶貴意見。自國中畢業便外出求學，十餘年來家人總在遠方默默地支持著，倍感謝意與歉意，僅以本文獻給我最敬愛的母親張仁女、大姐謝佩芳、二姐謝芸青，讓我無後顧之憂，才能順利取得碩士學位。此外感謝航太所的周姐、可愛的女友素芳、志榮伯、鄭澄國學長、朱光華學長以及同學們，為我的研究生活圖上了色彩，使它更加美麗！最後，感謝主，對我們全家人的關愛，並願主能繼續帶領我們未來的道路！V目錄中文摘要…………………………………………………………………I英文摘要…………………………………………………………II誌謝…………………………………………………………IV目錄…………………………………………………………V表目錄…………………………………………………………VIII圖目錄…………………………………………………………IX符號說明…………………………………………………………XII第一章導論…………………………………………………………11.1緒論…………………………………………………………11.2結冰現象……………………………………………………11.2.1水滴之運動……………………………………………21.2.2雲層大氣結冰…………………………………………31.2.3飛機結構結冰………………………………………51.3飛機防冰與除冰系統……………………………………101.4文獻回顧……………………………………………121.4.1積冰分析與模擬…………………………………121.4.2翼面之水滴分佈……………………………………151.4.3積冰對飛行之影響…………………………………171.5研究動機與目的………………………………………19第二章物理問題及理論分析…………………………………………22VI2.1基本假設與統御方程式……………………………222.1.1流場分析…………………………………………232.1.2水滴運動軌跡…………………………………262.1.3水滴固化熱傳模式………………………………302.1.4翼面壓力分佈-流片法…………………………332.2積冰分析………………………………………35第三章數值模擬……………………………………………373.1數值計算……………………………………………373.1.1流場之計算………………………………………383.1.2水滴運動軌跡之計算………………………………393.1.3水滴固化熱傳模式之計算…………………………413.1.4積冰後新翼剖面外形之氣動力計算………………463.2計算流程………………………………………………47第四章結果與討論……………………………………………484.1翼面上聚集水滴效率計算結果探討……………………484.2霜狀冰模式下之積冰預測…………………………504.2.1攻角為0度時之積冰預測…………………………504.2.2攻角為4度時之積冰預測…………………………514.3清透冰模式下之積冰預測…………………………524.3.1攻角為0度時之積冰預測………………………534.3.2攻角為4度時之積冰預測………………………534.4翼剖面壓力係數結果探討………………………54VII第五章結論………………………………………………565.1結論………………………………………………………565.2建議………………………………………………………58參考文獻……………………………………………………………60表………………………………………………………………………62圖…………………………………………………………………65自述………………………………………………………………………108VIII表目錄表3-1設定霜狀冰生成之大氣條件（一）………………………62表3-2設定霜狀冰生成之大氣條件（二）………………………62表3-3設定清透冰生成之大氣條件（一）………………………63表3-4設定清透冰生成之大氣條件（二）………………………63表3-5霜狀冰與清透冰結冰型態之區分…………………………64IX圖目錄圖2-1:水滴之運動受力圖.............................................65圖2-2:在流片上放置線性變化強度之渦流圖[19]………………………………66圖3-1:霜狀冰與清透冰特徵外形示意圖[26]…………………………………67圖3-2:多區塊格點系統圖………………………………………………………68圖3-4(a):0度攻角之流場圖…………………………………………………6