[發明專利]一種非穩態三維結冰數值模擬方法

有效

• 申請號: 201810206121.X
• 申請日: 2018-03-13
• 公開（公告）號: CN108460217B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 張麗芬;劉振俠;胡劍平;呂亞國;劉振剛
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 楊鳳娟

本發明公開了一種非穩態三維結冰數值模擬方法，屬于飛機飛行安全設計領域。采用N?S方程計算空氣場、拉格朗日法計算水滴的運動軌跡，根據質量守恒和能量守恒計算結冰量和溢流水量，溢流水的流動方向及不同方向的流量分配由當地空氣的速度矢量、當前單元和相鄰單元的位置矢量計算得到。采用非穩態計算方法，每個時間步內，結冰計算從滯止單元組開始，對其中的每個網格單元進行熱力平衡計算，得到結冰量、溢流水量以及溢流水流向的下一個網格單元編號，計算按照溢流水的流動方向向后推進，直到遍歷結冰表面所有的網格單元，之后進入下一時間步的計算。通過算例與現有技術進行對比，證明本發明提出的非穩態三維結冰數值模擬方法是有效的。

技術領域

本發明涉及飛機飛行安全設計技術領域，特別是一種非穩態三維結冰數值模擬方法。

背景技術

結冰嚴重威脅著飛機的飛行安全。對結冰問題的研究可以采用實驗和計算這樣兩種方式。結冰實驗所用的冰風洞造價及運行費用高昂，并且我國目前投入使用的冰風洞都是小型冰風洞，受其尺寸限制，某些工況是無法實驗的，因此采用實驗的方法研究結冰問題存在著諸多困難和障礙。而隨著數值計算方法以及計算機技術的發展，數值模擬越來越成為結冰研究的一個重要手段。數值模擬能夠以較低的成本，較快的速度對所研究問題進行定性或定量的分析。國外對結冰的數值模擬發展較早，并且已經具有一些較為成熟的計算軟件。國內近年來對結冰的數值模擬也逐漸增多，二維結冰計算研究開展較全面，三維結冰計算也逐漸展開，三維結冰計算中存在三個顯著的難點：滯止單元的確定、溢流水的流向和結冰表面網格遍歷。另外目前的三維結冰計算是按準定常方法進行，往往將結冰過程作為一個時間步，這與真實結冰過程有一定差別，導致了明冰、混合冰的計算結果往往與實驗誤差較大。

發明內容

因此，針對現有技術的上述問題，本發明為克服現有技術的不足，提出一種非穩態三維結冰的計算方法，能夠更加真實地描述結冰過程，得到結冰冰形。

具體的，所述方法具體包括：

步驟1確定計算時間；

步驟2開始外循環，搜索當前計算單元組，首次計算時為滯止單元組；

步驟3開始內循環，在計算單元組內確定當前計算單元；

步驟4設定當前計算單元平衡溫度；

步驟5計算當前計算單元的結冰量、溢流水量、平衡溫度、凍結系數；

步驟6對當前計算單元進行結冰熱力學計算，判斷是否達到熱力平衡；如果達到熱力平衡，則進入步驟7，否則返回步驟4；

步驟7搜索溢流水將要流向的單元編號，計算流入水量及水溫；

步驟8判斷是否遍歷當前計算單元組中所有單元，如果判斷為是，結束內循環，進入步驟9，否則返回步驟3，進行下一次內循環；

步驟9判斷是否遍歷結冰表面所有網格單元，如果判斷為是，結束外循環，進入步驟10，否則返回步驟2，進行下一次外循環并以步驟7搜索到的單元編號作為當前計算單元組。

步驟10判斷是否達到設定的時間，如果判斷為是，完成計算，否則返回步驟1開啟下一時間步計算。

進一步的，所述方法中結冰表面網格的遍歷是由內循環和外循環構成，外循環將計算單元組從前向后推進，內循環是完成計算單元組內網格的遍歷。

進一步的，所述方法中滯止單元的確定方法為，根據單元的法向量與撞擊速度矢量的夾角，如果小于某個數值，則該單元為滯止單元。

進一步的，所述方法中步驟7溢流水將要流向的單元的確定方法為，以當前單元的中心點與相鄰單元的中心點形成矢量，點乘空氣的速度矢量，獲得兩個矢量之間的夾角，如果夾角小于90度，則判定溢流水會流向該相鄰單元。