飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时,水滴撞击在迎风表面后冻结发生结冰。结冰积累导致飞机表面高低不平,粗糙度增加。结冰表面粗糙度影响飞机表面的气流流动,使得气流边界层的转捩位置前移,并且会强化飞机表面与气流之间的对流换热。在结冰计算中,粗糙度和对流换热过程对生成的冰量和冰形有很大影响,因此,考虑粗糙度产生的原因及衡量方法,并将改进的粗糙度模型嵌入现有的结冰计算模型中可以提高结冰预测结果的准确性。本文的主要内容为:首先对飞机结冰过程中粗糙度的产生原因、衡量方法及其对结冰过程的影响进行了介绍,并对对流换热系数的概念和影响因素进行了概述。第二章介绍了结冰数值模拟流程,针对其中的结冰计算模块,详细阐述了现有的两大结冰预测模型:Messinger模型和基于液态水的水膜结冰模型,利用两种模型对机翼结冰进行预测,通过计算结果与实验对比,得出每种模型适合求解的结冰类型,从提高计算精度的角度将两种模型结合。第三章阐述了飞机结冰数值模拟中三种粗糙度计算模型:等效砂砾粗糙度模型、基于表面几何的粗糙度模型和基于表面液态水分布的粗糙度模型,对比分析不同计算方法的适用范围,进而提出了一种多因素影响的粗糙度计算模型。第四章针对机翼结冰数值模拟过程,比较和分析不同对流换热系数的求解方法,即FLUENT软件计算法和边界层积分法,分析影响FLUENT计算结果的参数和设置,并分析软件计算得到的对流换热系数不能用在结冰模拟中的原因。第五章将第三章提出的粗糙度模型和第四章得到的适用于结冰计算的对流换热系数计算方法嵌入到改进的水膜结冰模型中,针对NACA0012翼型开展了各典型结冰状态下的冰形计算,将计算结果同冰风洞实验结果和原有水膜结冰模型计算结果进行对比,结果表明本文建立的基于多因素影响的粗糙度模型嵌入到改进的水膜结冰模型后可以提高各种冰型的模拟准确度,从而验证了本文模型的正确性。最后总结本文的工作,指出新的结冰计算模型能够提高结冰预测的精度,对未来防除冰系统的设计具有指导意义。