飞机穿云飞行时过冷水滴会在其表面结冰积聚,破坏飞机气动外形并影响发动机等设备正常工作,据统计显示,从1991年起因气候原因导致的飞行事故有596起,而其中因飞机结冰占比34.7%,是飞行安全的重大隐患。近年来飞机上多种新型材料的应用,以及防冰表面材料研究的兴起,使得结冰研究中表面材料的影响因素成为研究焦点。然而目前飞机结冰模型主要基于自由冰枝的生长规律,无法解释过冷水在壁面附近的结冰规律以及材料对结冰的影响,壁面影响冰枝生长的规律亟待研究。因此本文针对壁面影响冰枝生长的机理问题,在现有自由结冰与壁面理论基础上,通过设计典型实验研究近壁面冰枝生长过程,观察冰枝在壁面上的生长过程,重点研究过冷度、壁面亲水性及冰枝方向对冰枝生长速度和形貌的影响,最终通过结冰理论分析研究了壁面亲水性与初始冰面-壁面夹角对冰枝生长的影响机制,结果显示:1、得到壁面冰枝生长现象:壁面冰形状与尺度与自由冰相似,但是壁面材质、表面接触角、结冰过冷度和初始冰面-壁面夹角都会极大地影响冰枝壁面生长。其中,(1)冰生长速度和壁面亲水性成反比。在-2℃左右亲水表面上的冰枝生长速率最小,而此温度以上壁面亲水性无影响。疏水表面冰生长速度与自由结冰速度接近。壁面亲水性不明显改变冰枝尖端角度和半径,而只改变生长速度;(2)初始冰面-壁面夹角与壁面冰枝生长正相关,并且会改变冰枝生长方向而导致冰枝弯曲生长。当初始冰面-壁面夹角变小时,冰枝接触基底后会由于初始冰面-壁面夹角的影响在生长方向上发生偏转而导致弯曲生长;(3)随着过冷度和壁面导热率的增加,壁面亲水性与初始冰面-壁面夹角的影响迅速减小。2、认识壁面冰枝生长机理:(1)壁面结冰受传热影响大,受亲水性的作用较小,而冰枝生长传热分析显示壁面亲水性不是通过尖端传热改变的生长速度,而是改变了冰的性质;(2)壁面不改变冰的生长方向,即便形态因导热而不同(冰枝或冰层),该生长方向由初始冰面-壁面夹角决定。3、对壁面结冰认识的提高:在壁面冰为冰枝形式时,当过冷度小于5K时则需要考虑亲水性对冰枝生长速度与冰生长方向随机性的影响,因此壁面冰枝生长速度应为垂直接触和水平接触壁面的生长速度的平均值。本文实验观察到壁面冰生长速率和亲水性成反比,建立考虑表面亲水性的冰枝生长速度模型,对飞机结冰预测与防冰设计具有指导性意义。