基于VOF模型的车轮水花和起落架积水结冰计算模拟

为何冬季湿跑道很重要

每次商业航班都依赖坚固的起落架在起降时支撑、转向和滚动。在寒冷的湿滑跑道上，旋转的车轮会把大量水甩向相邻的起落架部件。如果这些水结冰，理论上可能卡住活动部件或影响起落架收放——由此产生显而易见的安全隐患。本研究通过计算机模拟提出一个非常实际的问题：在现实可想象的最坏情况下，车轮甩起的水是否能在起落架上积累足够的冰以威胁飞行安全？

从积水到水花到冰层

作者首先描述了跑道上水如何形成。在降雨或融雪过程中，水可能在路面形成薄膜，或在路面轻微不平处聚成浅水洼。当飞机在这些水域滑行准备起飞时，车轮如快速旋转的桨片，将水滴抛入空中。早期研究多将此视为车轮与水之间的简单相互作用，但实际上，围绕飞机的气流会弯曲并减速这些水滴。由于用真实飞机进行大规模测试既昂贵又难以精确测量，研究团队转而采用精细的流体模拟来追踪从跑道表面到起落架的全过程。

为水和冰构建数字风洞

为了在计算机中重现这一过程，研究者构建了包含跑道、旋转车轮和简化起落架支柱的三维模型。他们使用一种称为体积分数（Volume of Fluid, VOF）的方法，追踪水和空气在每个网格单元中如何分布，从而让计算机能够模拟飞溅、铺展和水膜在金属表面上的合并。一个特殊的“滑动网格”技术使车轮能够在静止流体中快速旋转，同时与周围的气水域交换信息。团队通过重现一项旋转圆盘甩出薄油膜的独立实验来校准该方法；模拟再现了观测到的模式，增强了其代表飞机车轮甩水行为的可信度。

把薄水层转化为可能的冰

在确定了不同起落架部位上水膜的厚度之后，作者评估了在冷空气中这些水有多少可能结冰。他们考虑了典型民用客机在被水覆盖跑道上的起飞情况，并采用了保守的选择：接近法规限值的相对较深地面积水、较低的环境温度以及完整的12秒滑行时间。随后用一个简单的热平衡模型估算水通过金属壁向周围空气散热并被抽走热量的速率。重要的是，他们假设所有可用的冷却都用于结冰，而非仅仅使水降温。他们还忽略了水流失、部分冻结或再融化等过程——这些假设都会使结果偏向高估冰厚度，而非低估。

水和冰实际聚集的位置

模拟显示，车轮甩起的水并不会均匀覆盖整个起落架。相反，它集中在主支柱的下半部，尤其是角落、支架和小凹处，这些地方的流动水往往减速并汇集于此。水膜在这些部位可能短时变厚，随后被气流剥离一部分，形成尖状且随时间变化的图样。即使在水量最为充足的情况下，生成的冰层始终比产生它的液态水层更薄，说明并非所有被捕获的水都有足够时间结冰。当团队将12秒滑行期间每一时刻的贡献叠加起来——在同样有意保守的假设下——他们发现冰仍然只是局部的涂层，而非包裹整个起落架的实心外壳。

对飞行安全的意义

对监管者和飞机设计者来说，关键不是每一滴水的精确形状，而是可能现实形成的最大冰厚。研究发现，即使在严寒和较深水膜的情况下，关键起落架部位上形成的冰也很薄——最多仅几毫米量级，通常远小于此。作者的完全保守估计仍低于那种可能卡住机构或危及起落架伸缩的水平；在实际中，真实冰厚很可能显著更小。简单来说，他们的工作表明，对于在现行跑道积水限值范围内运行的现代客机而言，在结冰天气起飞时车轮产生的水花单独看来不太可能在起落架上积聚足以妨碍安全收放。

引用: Dai, J., Zhang, L., Chen, Q. et al. Simulation of icing calculation based on VOF model for wheel spray and landing gear water accumulation. Sci Rep 16, 12174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42513-z

关键词: 飞机结冰, 起落架, 湿跑道, 车轮水花, 飞行安全