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旋翼结冰会严重破坏旋翼气动性能，降低直升机的操纵性和稳定性，严重威胁直升机飞行安全。为了实现直升机全天候安全飞行的目标，开展旋翼结冰机理及旋翼防/除冰相关问题的研究，具有重要的理论意义和实际价值。鉴于此，针对旋翼结冰数值模拟和旋翼防/除冰相关问题，本文发展了适用于结冰旋翼的CFD流场计算方法、旋翼水滴撞击特性计算方法、旋翼三维结冰模型，构建了一套高精度的旋翼结冰数值模拟方法及代码（CLORNS-ICE）。在此基础上，开展了旋翼结冰机理与特性分析，获得了结冰对旋翼气动特性、噪声特性的影响规律，继而开展了旋翼防/除冰相关问题研究，获得了旋翼电加热防/除冰热功率分布特性规律，建立了基于旋翼噪声特性变化的旋翼结冰探测方法以及基于合成射流的结冰翼型/旋翼的主动流动控制方法。主要研究工作包括：
第一章，首先阐述了直升机旋翼结冰问题的研究背景，综述了直升机CFD方法、旋翼结冰数值模拟方法与防/除冰相关问题的国内外研究现状，指出了目前研究仍存在的不足之处，提出了本文的研究内容及对应的研究方法。
第二章，计入旋翼桨叶的复杂运动特性和结冰桨叶外形变化的影响，发展了一套由旋翼桨叶贴体网格和背景网格组成的适用于旋翼非定常流场数值模拟的结构运动嵌套网格系统。考虑结冰桨叶的外形变化，分别提出了基于曲率的旋翼结冰表面节点重构方法（大变形）和基于弹簧网格的桨叶网格重构方法（小变形），可以有效捕捉结冰旋翼的外形变化、满足结冰旋翼CFD流场的网格要求。随后，发展了一套高精度、高效的适用于旋翼结冰预测的旋翼非定常流场数值模拟方法。为了提高计算效率，在双时间推进中的伪时间迭代中采用隐式LU-SGS方法；为提高结冰后旋翼分离流的模拟精度，空间离散采用了低耗散的Roe-MUSCL格式，流场粘性计算采用了S-A一方程湍流模型和SST两方程湍流模型。
第三章开展了旋翼桨叶结冰表面水滴撞击特性预测方法研究。针对旋翼复杂的工作特点和流场流动特征，发展了基于拉格朗日法的水滴轨迹求解方法。其中，提出了结合位移矢量的水滴所处单元寻觅方法和水滴初始位置的动态布点方法，显著提高了基于拉格朗日法的三维水滴撞击特性求解的计算效率。然后，进一步发展了基于欧拉法的旋翼桨叶结冰表面三维水滴撞击特性求解方法，并提出了基于“遮蔽区概念”的遮蔽区扩散模型，有效解决了欧拉法中可能会出现的局部密度脉冲对计算稳定性的影响。基于上述方法，开展了悬停、前飞状态下的旋翼表面水滴撞击特性的计算，发现了旋翼桨尖涡会在桨叶来流中形成部分“干”区域，并着重分析了桨尖涡对结冰表面水滴撞击特性的影响。
结合第二章、第三章建立的方法，第四章开展了旋翼结冰热力学模型研究，构建了旋翼三维结冰预测方法，编制了CLORNS-ICE代码。首先，鉴于常规旋翼二维结冰预测方法的局限性和旋翼实际结冰过程中的离心力起到的作用，在结冰模型中引入了旋翼离心力、水膜运动等影 响，建立了旋翼三维结冰热力学模型。然后，结合结冰旋翼CFD流场计算方法与旋翼水滴撞击特性计算方法，分别建立了旋翼三维结冰高精度的预测方法和适用于工程的准三维结冰快速计算方法。随后，基于建立的旋翼三维结冰预测方法，开展了悬停、前飞状态下的旋翼结冰的计算，获得了一些关于旋翼结冰特性的创新性结论。
第五章，针对平均水滴直径与温度，开展了旋翼结冰特性参数影响分析研究。在前飞状态下，开展了前进比对旋翼结冰特性的影响研究，同时，着重分析了离心力在旋翼桨叶结冰过程中的影响。随后，在不同飞行状态下，开展了结冰对气动特性的参数影响研究。其中，重点分析了在前飞状态下的结冰位置（小结冰量）对旋翼气动特性的影响。随后，基于旋翼结冰特性和桨叶电加热元件的两种典型分布方式，开展了旋翼防/除冰热载荷分布特性的计算研究，获得了一些前飞状态下桨叶表面热功率分布特性的创新性结论，为防/除冰系统的设计提供理论指导。
第六章，采用旋翼结冰预测方法开展了结冰对旋翼噪声特性的影响分析和基于噪声特性变化的旋翼结冰探测方法研究。首先，建立了旋翼噪声预测方法，作为开展基于旋翼噪声特性变化的旋翼结冰探测方法的研究基础。其次，开展了结冰参数对旋翼噪声特性变化的影响分析，表明旋翼噪声特性具有探测旋翼结冰情况的潜力。最后，提出了基于噪声特性变化的旋翼结冰探测方法，通过在机身上布置不同的测量点，分析结冰旋翼噪声特性变化规律，建立旋翼噪声特性与旋翼结冰状况的映射关系，根据噪声特性变化反推出旋翼潜在结冰位置，并获得了一些有意义的结论，为旋翼结冰探测技术的发展提供了一个新思路。
第七章将合成射流技术引入旋翼防/除冰相关问题中，开展了结冰翼型/旋翼气动特性的主动流动控制研究，为解决除冰过程中旋翼气动力的损失这一问题提供了一个新的技术手段。首先，结合翼型流动特性、翼型常见结冰范围，建立了激励器出口的吸/吹气速度边界条件与无量纲化的射流控制方程。然后，开展了基于合成射流的NACA23012结冰翼型气动特性控制的数值模拟和参数影响分析研究。随后，设计加工了一个特殊的蒙皮-框架结构的合金桨叶，构建了旋翼主动流动控制试验平台，试验表明了合成射流具有抑制桨叶气流分离、提升旋翼气动特性的能力。最后，综合分析了合成射流位置、射流偏角、激励电压等参数对旋翼气动特性控制效果的影响。
第一章，首先阐述了直升机旋翼结冰问题的研究背景，综述了直升机CFD方法、旋翼结冰数值模拟方法与防/除冰相关问题的国内外研究现状，指出了目前研究仍存在的不足之处，提出了本文的研究内容及对应的研究方法。
第二章，计入旋翼桨叶的复杂运动特性和结冰桨叶外形变化的影响，发展了一套由旋翼桨叶贴体网格和背景网格组成的适用于旋翼非定常流场数值模拟的结构运动嵌套网格系统。考虑结冰桨叶的外形变化，分别提出了基于曲率的旋翼结冰表面节点重构方法（大变形）和基于弹簧网格的桨叶网格重构方法（小变形），可以有效捕捉结冰旋翼的外形变化、满足结冰旋翼CFD流场的网格要求。随后，发展了一套高精度、高效的适用于旋翼结冰预测的旋翼非定常流场数值模拟方法。为了提高计算效率，在双时间推进中的伪时间迭代中采用隐式LU-SGS方法；为提高结冰后旋翼分离流的模拟精度，空间离散采用了低耗散的Roe-MUSCL格式，流场粘性计算采用了S-A一方程湍流模型和SST两方程湍流模型。
第三章开展了旋翼桨叶结冰表面水滴撞击特性预测方法研究。针对旋翼复杂的工作特点和流场流动特征，发展了基于拉格朗日法的水滴轨迹求解方法。其中，提出了结合位移矢量的水滴所处单元寻觅方法和水滴初始位置的动态布点方法，显著提高了基于拉格朗日法的三维水滴撞击特性求解的计算效率。然后，进一步发展了基于欧拉法的旋翼桨叶结冰表面三维水滴撞击特性求解方法，并提出了基于“遮蔽区概念”的遮蔽区扩散模型，有效解决了欧拉法中可能会出现的局部密度脉冲对计算稳定性的影响。基于上述方法，开展了悬停、前飞状态下的旋翼表面水滴撞击特性的计算，发现了旋翼桨尖涡会在桨叶来流中形成部分“干”区域，并着重分析了桨尖涡对结冰表面水滴撞击特性的影响。
结合第二章、第三章建立的方法，第四章开展了旋翼结冰热力学模型研究，构建了旋翼三维结冰预测方法，编制了CLORNS-ICE代码。首先，鉴于常规旋翼二维结冰预测方法的局限性和旋翼实际结冰过程中的离心力起到的作用，在结冰模型中引入了旋翼离心力、水膜运动等影 响，建立了旋翼三维结冰热力学模型。然后，结合结冰旋翼CFD流场计算方法与旋翼水滴撞击特性计算方法，分别建立了旋翼三维结冰高精度的预测方法和适用于工程的准三维结冰快速计算方法。随后，基于建立的旋翼三维结冰预测方法，开展了悬停、前飞状态下的旋翼结冰的计算，获得了一些关于旋翼结冰特性的创新性结论。
第五章，针对平均水滴直径与温度，开展了旋翼结冰特性参数影响分析研究。在前飞状态下，开展了前进比对旋翼结冰特性的影响研究，同时，着重分析了离心力在旋翼桨叶结冰过程中的影响。随后，在不同飞行状态下，开展了结冰对气动特性的参数影响研究。其中，重点分析了在前飞状态下的结冰位置（小结冰量）对旋翼气动特性的影响。随后，基于旋翼结冰特性和桨叶电加热元件的两种典型分布方式，开展了旋翼防/除冰热载荷分布特性的计算研究，获得了一些前飞状态下桨叶表面热功率分布特性的创新性结论，为防/除冰系统的设计提供理论指导。
第六章，采用旋翼结冰预测方法开展了结冰对旋翼噪声特性的影响分析和基于噪声特性变化的旋翼结冰探测方法研究。首先，建立了旋翼噪声预测方法，作为开展基于旋翼噪声特性变化的旋翼结冰探测方法的研究基础。其次，开展了结冰参数对旋翼噪声特性变化的影响分析，表明旋翼噪声特性具有探测旋翼结冰情况的潜力。最后，提出了基于噪声特性变化的旋翼结冰探测方法，通过在机身上布置不同的测量点，分析结冰旋翼噪声特性变化规律，建立旋翼噪声特性与旋翼结冰状况的映射关系，根据噪声特性变化反推出旋翼潜在结冰位置，并获得了一些有意义的结论，为旋翼结冰探测技术的发展提供了一个新思路。
第七章将合成射流技术引入旋翼防/除冰相关问题中，开展了结冰翼型/旋翼气动特性的主动流动控制研究，为解决除冰过程中旋翼气动力的损失这一问题提供了一个新的技术手段。首先，结合翼型流动特性、翼型常见结冰范围，建立了激励器出口的吸/吹气速度边界条件与无量纲化的射流控制方程。然后，开展了基于合成射流的NACA23012结冰翼型气动特性控制的数值模拟和参数影响分析研究。随后，设计加工了一个特殊的蒙皮-框架结构的合金桨叶，构建了旋翼主动流动控制试验平台，试验表明了合成射流具有抑制桨叶气流分离、提升旋翼气动特性的能力。最后，综合分析了合成射流位置、射流偏角、激励电压等参数对旋翼气动特性控制效果的影响。