[发明专利]飞行结冰的数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空工程领域，是计算流体力学在航空工程领域的应用，具体地讲，是一种用于模拟飞行器的飞行结冰的数值方法。这种数值模拟技术可以用计算机高级程序语言实现，并通过计算机的运行来模拟飞行器在空中飞行期间遭遇结冰时的状态。

背景技术

飞行器在一定的飞行高度范围内穿过云层时，大气中的超冷液态水滴(温度在冰点以下，但以液态水滴形式存在)会碰撞在飞行器多个部件表面形成水膜，如机翼、机身、驾驶舱、尾翼、发动机进气口等部件的表面都容易形成大量积聚的液态水膜。通常用超冷液态水含量(单位体积内的超冷液态水滴的总重量，量纲kg/m³)来表示结冰条件。如果超冷液态水含量较高，飞行器一些部件表面上积聚的水膜会在结成冰层。这种现象被称为飞行结冰。大量的飞行结冰会增加飞行器的重力、改变重心、改变飞行器外形和表面粗糙度，引起阻力增加、升力减小和失速角减小。同时，结冰会阻碍飞行器表面一些运动部件的功能，如襟翼、平衡器的运动，危害飞行器的稳定性和操纵性。

为保证飞行器在遭遇结冰条件下飞行的安全性，飞行器制造者必须表明飞行器能在各种结冰飞行条件下满足飞行包线以取得适航证。适航取证的过程是通过空中飞行测试、风洞测试、计算机数值模拟三种手段共同实现的。空中飞行是最直接的测试手段，完全在自然条件下进行。但是这种方法不仅成本昂贵，而且自然条件无法完全达到飞行包线上的所有条件，不可能进行逐个条件下的验证。在陆地上唯一替代空中飞行测试方法就是倚重结冰风洞。在风洞中产生高空飞行时遇到的超冷水含量和水滴尺度等结冰条件。结冰风洞制造成本昂贵，而且风洞中无法产生的大气中超冷水滴尺度的分布。此外，由于风洞测试中采用缩小的飞行器几何模型，所以流动雷诺数不准确，以致难以准确预报真实的飞行器飞行结冰状态。

自从上世纪80年代，国际上逐步开始了飞行器飞行结冰过程的数值模拟的研究，不仅在理论上对这一复杂的现象有了深刻的认识，而且已经将数值模拟的结果应用到工程上。飞行结冰的计算机数值模拟已经成为一种新产品开发设计和适航取证的支持工具。先进的数值模拟技术还可以弥补结冰风洞实验中的误差和缺陷。飞行结冰过程的数值模拟技术经过20多年的发展后，出现了具有代表性的相关产品。例如，来自美国的LEWICE软件、来自法国的ONERA软件、来自加拿大的Fensap软件。

飞行器飞行结冰的数值模拟技术中所采用的流程都是基于三个主模块的调用。三个主模块及其各自主要功能是分别为：

空气流动模块：用于求解飞行器外部流场(包括飞行器表面)信息，即求解流体流动(此处为空气运动)控制方程；

超冷水滴运动模块：用于求解大气中的超冷水滴与飞行器表面的碰撞过程，以获得飞行器表面的液态水的状态(用液态水收集率表示)，即求解水滴运动方程；

结冰状态模块：用于求解液态水的结冰过程，获得结冰后的几何形状。

上述各种软件中所采用的数值模拟技术也存在一些差别，主要体现在外部流场求解的方法和水滴运动的描述方法。例如，LEWICE和ONERA软件中利用面元法求(Panel Method)解外部流动，再进行可压缩修正。这意味着将飞行器外部流体流动视为不可压缩势流流动，是对真实情况的近似。尽管FENSAP软件中按照两相流湍流流动求解，但通过大量简化性假设，分别求解空气和水滴的运动方程，仅考虑了空气对水滴的阻力。

其次，在LEWICE软件采用拉格朗日方法为框架描述水滴运动问题，追踪水滴的运动轨迹，在处理复杂几何表面的结冰问题时，受到一定限制。而ONERA和FENSAP软件采用欧拉方法为框架描述水滴运动问题，并将空气和水滴的运动视为两相流体的流动。至于结冰状态模型，各种软件均以著名的Messinger结冰模型为基础。该模型是一个零维模型，认为冰层内部的特性是均等的，从结冰过程的能量守恒形式出发，并结合质量守恒关系，建立了常微分方程。LEWICE和ONERA软件中将结冰过程视为一个准稳定过程，即在一个结冰计算时间间隔内，外界空气和水滴的运动是不变化的。这种准稳定假设在冰层外部的流动有分离的情况下显然是不正确的。Fensap软件中建立了冰层增长的时间相关项，解决了这个问题，但是需要求解额外两个偏微分方程。上述各个软件中均需要在每一个时间段因为冰层形状的改变而进行网格重构。该过程中需要对网格进行局部坐标插值、光顺、正交处理，以提高网格质量，同时，要对网格上的变量进行插值运算。这个过程不仅耗时，而且插值运算会降低整体计算精度。