[發明專利]一種考慮結冰表面粗糙度的模擬方法及系統

有效

• 申請號: 201811367695.1
• 申請日: 2018-11-16
• 公開（公告）號: CN109657275B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 吳淵;張付昆;朱東宇;董軍;趙波
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司沈陽空氣動力研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 李曉敏

本發明公開了一種考慮結冰表面粗糙度的模擬方法，包括計算等效砂粒粗糙高度以及粗糙度表面及附近網格劃分和邊界條件設置，對表面粗糙度進行無量綱化，改變對應空間點到粗糙表面的壁面距離和湍動能及其耗散率進行數值迭代至收斂，以此完成結冰表面粗糙度的氣動特性值模擬。該方法結合兩種結冰表面等效砂粒粗糙高度的經驗計算方法，成功地解決了從真實粗糙高度到等效砂粒粗糙高度，或未知粗糙度需要評估結冰后粗糙效應等工程實際問題。從二維到三維，建立結冰表面粗糙度數值模擬方法，彌補了現階段其他方法計算效率低，可信度差等缺陷。

技術領域

本發明屬于航空氣動力數值模擬技術領域，具體涉及一種考慮結冰表面粗糙度的數值模擬方法及系統。

背景技術

粗糙度是飛機結冰表面的一個重要特征，一般在機翼或平尾前緣形成較多，表現為非人為控制的不規則大小和分布，高度通常在毫米量級。結冰表面粗糙度是飛機結冰安全評估研究中的重要內容，因為粗糙度的存在可能導致層流提前發生轉捩，增大摩擦阻力減小飛機續航能力，甚至導致翼面提前分離，降低最大升力或者導致非對稱滾轉，嚴重影響飛機的氣動特性。

結冰表面粗糙度還是結冰數值模擬研究中的核心內容。飛機表面的流動和換熱特性決定了最終冰形的大小、形狀和類型。粗糙度會影響到表面轉捩、表面摩擦力和對流換熱，增大表面粗糙度的大小會增大表面對流換熱。在結冰數值模擬中，不同的表面粗糙度大小會使計算得到的冰形發生劇烈的改變，精確計算表面粗糙度及其附近的流動特征非常重要。因此，考慮結冰表面粗糙度的模擬方法研究既是飛機結冰安全評估的需求，也是結冰數值模擬的核心內容，是一項非常重要的基礎研究課題。

對于考慮表面粗糙度的氣動特性計算，國內外都給予了非常多的關注。應用較為普遍的有經驗公式法，壁面函數法、坐標變換法、湍流模型修正法等。經驗公式法過于粗糙，不適用現在計算對精準度的需求；壁面函數法適用范圍受限；坐標變換法，因其網格量大且復雜模型處理非常復雜，并不適用于常規工程計算；湍流模型修正法方法多樣，且實際使用較為困難，應用于結冰表面粗糙度的氣動特性數值模擬需要更細致的研究。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明的目的是為了解決現階段的工程實用方法無法準確模擬結冰表面粗糙度氣動特性影響的問題，提供一套完整且工程實用的考慮結冰表面粗糙度的氣動特性數值模擬方法。

本發明采用如下方法來實現：一種結冰表面粗糙度的模擬方法，包括：

步驟一、計算等效砂粒高度，將粗糙度表面以及閾值范圍內距離的網格進行劃分并設置邊界條件，并將表面粗糙度進行無量綱化；所述將表面粗糙度進行無量綱化具體為：以粗糙邊界的當地流體密度 ρ、當地摩擦速度 u_τ和當地運動粘性 μ作為參考量，將粗糙邊界中的等效砂粒粗糙高度無量綱化，計算得到粗糙雷諾數，其中

步驟二、根據表面粗糙度及其與之范圍內的流場，改變壁面距離d來計算湍動能及其耗散率；

步驟三、計算當地摩擦速度；

步驟四、固定進行數值迭代至收斂，完成結冰表面粗糙度的氣動特性數值模擬。

進一步地，所述計算等效砂粒高度的方法包括：判定輸入參數是否為模擬氣象參數或真實氣象參數，若是模擬氣象參數，則將模擬氣象參數轉換為等效砂粒粗糙高度；若是真實氣象參數，則將真實氣象參數中所包含的冰形參數劃分為若干個粗糙區域，并統計分析冰形的結冰表面粗糙度特征值，結合特征參數組轉換為等效砂粒粗糙高度。