当飞机穿过含有过冷水滴的云层时,撞击到迎风部件表面上的过冷水滴将冻结成冰。常见的积冰类型有霜冰、明冰和混合冰。积冰会破坏部件表面的气动外形,可导致飞机失速和发动机喘振。为减小积冰对飞行性能的影响,一般会在迎风部件前缘采取加热措施,此时过冷水滴难以全部在防冰区域冻结成冰,未冻结水膜流动至机翼后缘并冻结为冰脊。冰脊结构坚固且气动外形差,对飞机气动性能的影响更为严重。在未冻结水膜的流动过程中必然伴随着蒸发,而且蒸发会对该过程中的质量交换和能量交换产生影响,进而影响到迎风表面上的冰层厚度和积冰区域。一方面蒸发会减小水膜厚度和覆盖区域;另一方面蒸发会加快水膜表面与流场的换热,并在热防冰条件下显得更为明显。本文考虑了蒸发对积冰过程的影响,并对蒸发量和水膜表面温度进行耦合求解,发展了适用于热防冰条件下的三维积冰模型的数学模型及其计算方法,补充了相应的程序。随后数值模拟了机翼表面上的明冰积冰和冰脊积冰,并分别与相应的实验结果进行对比,验证了热防冰条件下的三维积冰模型的合理性。基于该三维积冰模型,本文数值模拟了机翼表面在不同防冰热流密度下的三维积冰,展现了随防冰热流密度变化而变化的积冰形态,得到了不同积冰形态与积冰时间对气动性能的影响,并分析了不同积冰形态下的水膜流动状态。数值计算结果表明:随着防冰热流增加,机翼表面积冰形态从明冰逐渐过渡到冰脊,最终只存在水膜流动而无积冰;明冰和冰脊均会使机翼的气动性能变差,该影响会随着积冰时间的推移而增强,并且冰脊对气动性能的影响更严重。本文还对积冰算例进行简单的单区防冰设计,得到了水膜覆盖区域与防冰热流密度的对应关系,并找出了最佳防冰热流设置区域。数值计算结果表明:与干表面防冰相比,机翼表面采用湿表面防冰更为经济;机翼表面的水膜覆盖区域会随着防冰热流密度的增加而逐渐变小,当该长度与水滴撞击区域相同时可以得到最小防冰功率。本文发展的适用于热防冰条件下的三维积冰模型可以模拟无防冰/热防冰条件下的积冰过程,为飞机积冰预测和热防冰设计提供技术支持。