[发明专利]飞行结冰的数值模拟方法

权利要求书

1.一种用于模拟飞行器的飞行结冰的数值方法，来模拟飞行器在空中飞行期间遭遇结冰时的状态。其主要特征是包括用于模拟空气-超冷水滴的运动的两相流流动的单流体模型中壁面水膜表面的速度分解和水膜厚度的算法、在计算冰层形状和内部的温度分布的水膜结冰状态模型中采用网格加密方法追踪结冰界面的算法、基于固定计算网格利用上述模型和算法进行飞行结冰数值模拟计算的流程。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟飞行器的飞行结冰的数值方法，其特征在于，所述的用于模拟空气-超冷水滴的运动的两相流流动的单流体模型中壁面水膜表面的速度分解和水膜厚度的算法，具体步骤是：

(1)设定一个壁面上超冷液态水的运动粘度v为初始值；

(2)按照不可压缩边界层速度分布公式求得假想水膜表面的速度u_2f；

(3)按照质量平均求液态水边界层的速度u₂；

(4)求空气的速度u₁；

(5)空气-水膜边界层的速度分布积分S与两相流单流体模型的边界层速度分布积分S_m进行比较，求二者的差值；

(6)比较步骤(5)的结果S和S_m，如果在误差范围内则结束，否则调整运动粘度，回到步骤(2)，直到求得精确的假想水膜表面速度；

(7)按照不可压缩流边界层理论求假想水膜沿着壁面的法向速度，而该速度也是超冷水滴在壁面法向速度分量v₂；

(8)用积分时间长度Δt乘以超冷水滴在壁面法向速度分量v₂，获得真实的水膜厚度；

(9)真实的水膜表面流动速度由边界层内部流动速度的线性分布的假设获得。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟飞行器的飞行结冰的数值方法，其特征在于，所述的在计算冰层形状和内部的温度分布的水膜结冰状态模型中采用网格加密方法追踪结冰界面的算法，需要在水膜中生成至少三层计算网格，在其下方的冰层中至少生成三层网格，这六层网格形成相变区，水凝结成冰的相变过程将发生在其中，并形成新的结冰界面。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟飞行器的飞行结冰的数值方法，其特征在于，所述的基于固定计算网格利用上述模型和算法进行飞行结冰数值模拟计算的流程，具体步骤是：

(1)未结冰的飞行器周围计算网格的生成；

(2)规定计算的开始时刻；

(3)进行飞行器外部空气-超冷水滴的运动的单流体两相流流动模拟；

(4)求飞行器壁面网格内假想水膜的厚度；

(5)进行空气-水膜的两相流速度分解，获得假想水膜表面速度；

(6)求假想水膜表面运动的法向速度；

(7)求正是水膜的厚度和表面速度；

(8)检测壁面是否已经有结冰。如果没有结冰，用Messinger结冰模型计算结冰量，否则进入下个步骤；

(9)将水膜和其下方的冰层进行网格加密，构成相变区，进入结冰状态模型；

(10)在冰层内部计算温度分布，同时求得飞行器壁面结冰量并构成新的结冰界面；

(11)将剩余的水膜折算到外部计算域的边界中的超冷水滴的体积分数中；

(12)重新划分外部流场计算域和内部结冰计算域；

(13)回到步骤(2)，进行下一个时刻的流体两相流单流体流动模拟计算。