冰积聚仍然是航空航天工程中的一个关键技术挑战，因为它对飞机飞行安全和空气动力性能构成重大风险[[1], [2], [3]]。在航空航天领域，冰积聚主要分为三种类型：过冷水滴结冰、冰晶结冰和混合相结冰。过冷水滴结冰是指处于亚冻结状态的液滴撞击飞机表面并迅速固化成冰层的现象[[2,4,5]]。冰晶结冰涉及云中的冰晶颗粒接触飞机表面，在特定的温度和压力条件下沉积、冻结并积累成冰层[[6], [7], [8]]。混合相结冰是由过冷水滴和冰晶颗粒的协同作用引起的复合结冰现象[[9], [10], [11]]。纯冰晶硬度较高，撞击后反弹的概率较大，因此难以附着在表面上形成冰层[[12,13]]。然而，在热诱导条件下，冰晶可能会发生相变，相变产生的液态水为冰晶附着和后续结冰提供了必要条件[[14,15]]。需要明确的是，冰晶的相变效应并不是混合相结冰的必要条件。经过数十年的研究，已经为过冷水滴结冰开发出了全面的理论体系、可靠的预测模型以及成熟的防冰和除冰技术。相比之下，冰晶结冰是一个新兴的研究方向，仍处于早期发展阶段。由于基础研究不足和技术限制，全球的研究人员大多采用最初为球形过冷水滴设计的研究范式来进行冰晶相关研究。
准确捕捉颗粒的运动和撞击行为对于冰积聚的数值模拟和机理研究至关重要。过冷水滴主要是球形的，惯性较弱，旋转效应可以忽略，因此“非旋转”假设在物理上是合理的。相比之下，冰晶颗粒通常具有非球形形态（例如柱状、板状、针状）[[16,17]]。它们的形态不对称导致空气动力力的分布不平衡，这意味着旋转效应在理论上不可忽略。迄今为止，学术界在研究冰晶运动时仍然直接采用“非旋转”假设[[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]]。然而，这一假设完全源自对球形过冷水滴的研究，缺乏针对非球形冰晶物理特性的针对性机理分析或实验验证。因此，其物理基础不足。这种简化可能导致对大型飞机部件（例如机翼）的冰积聚预测误差尚可接受，但对于小型精密部件（例如传感器、皮托管）则会导致显著偏差。这些偏差会降低冰预警系统和防冰/除冰控制逻辑的可靠性，对飞行安全及适航性认证要求构成潜在风险。因此，深入探讨这一假设的合理性以及系统研究旋转效应对冰晶运动和撞击行为的影响具有重要的学术价值和工程实用性。
在飞机结冰研究中，欧拉[[29], [30], [31]]和拉格朗日[[32], [33], [34]]方法被广泛认为是计算颗粒运动和撞击行为的主流方法。这两种方法已被整合到著名的国际冰积聚模拟工具中，如LEWICE[[35], [36], [37]]和FENSAP-ICE[[38], [39], [40]]，确立了它们在该领域的标准化技术地位。然而，它们的核心建模假设存在固有的局限性，使得这两种方法都无法有效捕捉颗粒旋转或旋转与流场的耦合。对于欧拉方法，离散颗粒被视为连续介质；宏观运动通过颗粒-相传输方程描述，动态行为在相空间上统计平均，实质上排除了旋转自由度。相比之下，拉格朗日方法可以追踪颗粒质心轨迹，但它依赖于“冻结刚体姿态”假设。这固定了颗粒的方向，并仅通过空气动力系数将流场特性与颗粒运动联系起来，因此无法考虑旋转或其对颗粒轨迹的耦合效应。这一技术限制迫使学术界在缺乏更精细的数值方法的情况下采用最初为球形水滴设计的“非旋转”假设。除了阻碍对冰晶运动机制的深入理解外，这一限制还导致现有冰晶结冰工具的预测精度无法满足工程要求。因此，欧拉和拉格朗日方法在捕捉旋转方面的不足是当前冰晶结冰研究中普遍忽略旋转效应的关键技术原因。
基于上述研究背景和已识别的局限性，本研究重点关注典型的冰晶结冰条件，包括飞行速度为100–200米/秒、冰晶等效直径为432–2,707微米、球形度介于0.4–0.85之间的情况。本研究追求两个核心目标：首先，评估旋转效应对非球形冰晶运动和撞击行为的影响机制；其次，确定“忽略旋转”假设的合理性和适用范围。本研究的关键创新是开发了一种适用于非球形冰晶的6-DOF数值方法。通过将Navier-Stokes方程与颗粒的6-DOF刚体运动方程相结合，实现了双向流固耦合。这种方法首次能够精确捕捉非球形冰晶的完整平移-旋转耦合运动过程，解决了传统方法在描述旋转效应方面的固有局限性。
本文的其余部分组织如下：第2章详细介绍了所提出的6-DOF数值方法的构建逻辑以及传统拉格朗日方法的基本原理。第3章介绍了物理模型、边界条件设置、网格生成策略和收敛性验证。第4章对数值结果进行了系统分析，重点比较了6-DOF方法和拉格朗日方法在轨迹、撞击位置和收集效率方面的差异，量化了旋转效应的影响规律，并评估了三种阻力系数模型的性能。第5章总结了主要研究结论并展望了未来研究方向。
