[發明專利]飛行器積冰冰形模擬方法、裝置、計算機設備及存儲介質

有效

• 申請號: 202111163403.4
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113792387B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 田正雨;楊帆;謝文佳;于航;張燁
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F17/11;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 陳俊好

本發明提供一種飛行器積冰冰形模擬方法、裝置、計算機設備及存儲介質，包括輸入飛行器翼型，確定飛行器翼型上的積冰研究區域，采用正交網格進行網格劃分，并區分固體區域和流體區域；通過求解流動方程組，獲取當前積冰研究區域中流體區域的速度場分布；輸入水滴信息，完成水滴收集過程；對水滴收集過程中得到的已收集水滴進行積冰生長，積冰沿著當前邊界法向增長，計算積冰研究區域不同位置的積冰生長高度，對積冰研究區域積冰后的邊界進行更新，得到積冰生長后新的積冰研究區域邊界信息，進而可以精細化描繪出積冰冰形。

技術領域

本發明屬于計算流體力學領域，具體涉及一種飛行器積冰冰形模擬方法、裝置、計算機設備及存儲介質。

背景技術

由于積冰導致的飛行事故多發，帶來了人身安全和社會財產方面的巨大損失。在飛行器飛行過程中，機翼前緣、發動機進氣口、機頭擋風玻璃以及各種傳感器檢測儀器的迎風面都是易于形成冰層的區域。飛行器本身是由機翼表面上下壓力差產生的升力來實現飛行的。然而由于積冰的存在使得飛行器表面氣動外形發生了改變，影響了飛行器的氣動特性。研究表明，干凈構型氣動特性隨雷諾數變化明顯，雷諾數越大，其最大升力系數、失速越大；但當飛行器積冰后其氣動特性幾乎不受雷諾數效應的影響。

此外，發動機進氣口處結冰會減小發動機進氣量，導致發動機功率不足，甚至造成空中停車的嚴重后果。而傳感器附近積冰會影響采集數據數值，擋風玻璃處積冰會影響飛行員視野對安全駕駛造成隱患。

因此針對積冰冰形的研究具有重要意義，目前針對飛行器積冰的實驗成本高昂且難度大，因此數值模擬成為研究積冰問題的重要方法^[1]。針對飛行器積冰問題國外學者很早之前就展開了相關研究，已推出多款成熟商業軟件產品如美國國家航空航天局開發的LEWICE,加拿大開發的FENSAP-ICE,意大利開發的CIRA和CIRAMIL，英國開發的DRA和法國開發的ONERA等，其中最為著名的是美國航空航天局開發的LEWICE軟件。LEWICE軟件以及法國航空研究中心的計算軟件被美國聯邦航空局和歐洲聯合航空局所采用，作為確認飛機是否滿足結冰適航的工具。而國內方面的研究起步較晚，空氣動力研究與發展中心易賢等、南京航空航天大學孫志國等、西北工業大學周志宏等、北京航空航天大學楊勝華等和常士楠等均采用數值模擬的手段針對飛行器積冰問題進行了相關研究。而且已有研究成果主要為二維問題，針對三維問題的研究正在逐步開展。已開發軟件如NUAA-ICE3D，數量較少與國外還存在一定差距。

運用工程估算的方法主要是使用一些經驗總結出來的公式和數據針對飛行器積冰結果進行估算，這種方法比較粗糙，而且只能粗略估算出積冰量，無法模擬出積冰的增長過程和冰形樣貌。

利用實驗方法針對飛行器積冰進行研究主要分為實際環境的積冰實驗和冰風洞試驗兩種。飛行試驗對飛行員要求高且存在一定的危險性，成本高昂，而冰風洞方法難點在于完全模擬自然條件下的飛行環境。

在數值計算方面。目前國內部分研究人員針對飛行器表面積冰問題采用穩態方法進行模擬，然而飛行器表面積冰是一個動態發展的過程，冰形會隨著積冰時間不斷發生變化，因而穩態方法與實際積冰情況存在差距。另外，飛行器表面積冰冰形復雜，不規則，且不同冰形樣貌對于飛行器表面氣動特性影響很大。而部分現有研究中，將冰形歸納為諸如鈍頭體、雙角體和尖頭體等類型以對問題進行簡化，簡化后冰形類型的組合無法涵蓋實際復雜冰形樣貌，對計算結果準確度造成影響。與此同時，還存在利用NURBS樣條曲線等擬合積冰冰形樣貌的方法，利用樣條曲線只能光滑近似整個區域的冰層形貌，而無法實現更細致的局部冰形樣貌的精細模擬，例如楔形冰表面的毛刺狀積冰等。最后，上述采用方法多借助商業軟件如Fluent等實現，學習成本高，雖然功能完備但是體量龐大，相較于更具有針對性的自編程方法效率不高。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種飛行器積冰冰形模擬方法、裝置、計算機設備及存儲介質。

為實現上述技術目的，本發明采用的技術方案如下：

飛行器積冰冰形模擬方法，包括：