[发明专利]一种飞行器飞行中遭遇降雨时的数值模拟方法

权利要求书

1.一种飞行器飞行中遭遇降雨时的数值模拟方法，包括以下步骤：

1)根据目标飞行器的几何外形，生成飞行器流场空间计算网格；

2)根据目标飞行器的实际使用条件，确定飞行条件和降雨条件；

3)根据飞行器流场空间计算网格、飞行条件和降雨条件，进行空气相-雨滴相两相流体流动模拟计算，获得流场数据；

4)根据流场数据获得空气相流体气动性能数据和空气相流体壁面剪切应力；

5)利用动量定理建立模拟雨滴对飞行器表面撞击效应的计算式，求解飞行器表面局部雨滴收集率和飞行器表面局部雨滴撞击质量流量；

6)根据飞行器表面局部雨滴撞击质量流量，求解雨滴撞击力系数增量；

7)取飞行器流场空间计算网格中的翼型表面贴体网格作为表面水膜控制体，采用QUICK格式离散步骤4)得到的空气相流体壁面剪切应力，得到各表面水膜控制体边界处的空气相流体壁面剪切应力；

8)设定翼型表面同时存在气流附着点、气流转捩点和气流再附点，分别记气流附着点、气流转捩点和气流再附点所在的表面水膜控制体为i₀控制体、i₁控制体和i₂控制体，并初始化i₀控制体、i₁控制体和i₂控制体的位置；

9)求解i₀控制体水膜厚度；

10)求解i₀控制体左侧界面方向所有表面水膜控制体的水膜厚度；

11)检测i₁控制体的存在性，若存在，更新其位置；否则，不予更新；

12)求解i₀控制体与i₁控制体之间的表面水膜控制体的水膜厚度；

13)检测i₂控制体的存在性，若存在，更新其位置；否则，不予更新；

14)求解i₂控制体水膜厚度；

15)求解i₁控制体与i₂控制体之间表面水膜控制体的水膜厚度；

16)求解i₂控制体右侧边界方向所有表面水膜控制体的水膜厚度；

17)整理计算得到的所有表面水膜控制体的水膜厚度；

18)建立雨滴溅射模型，求解雨滴溅射模型的四个参数：无量纲溅射凹坑高度实际修正值、无量纲溅射凹坑半径、无量纲溅射凹坑形成时间和无量纲凹坑间隔距离，具体包括以下步骤：

①求解无量纲溅射凹坑高度的理论值为：

式中，W_b为雨滴韦伯数；F_N为雨滴弗洛德数；h^*为无量纲水膜厚度；为无量纲溅射凹坑半径；

②求解无量纲溅射凹坑高度的实际修正值为：

③间接求解无量纲溅射凹坑半径为：

④求解无量纲溅射凹坑形成时间为：

⑤求解无量纲凹坑间隔距离为：

式中，β为飞行器的局部雨滴收集率；I＝nR^-m，R为降雨率，m和n为常数，均与降雨类型相关，为降雨试验测量值；N₀为单位体积空间中的雨滴数密度随雨滴直径大小的分布常数；MVD为雨滴体积当量平均直径；

19)根据雨滴溅射模型的四个参数，求解等效的水膜层表面粗糙度，具体包括以下步骤：

a、采用等效沙粒粗糙度模拟雨滴撞击飞行器表面引起的水膜表面粗糙度状态，求解雨滴溅射引起的水膜表面粗糙度k_s,c为：

式中，系数C与撞击凹坑形状有关；D_c为凹坑间隔距离，为凹坑当量平均高度，采用M-P雨滴谱分布模拟降雨时有

b、求解水膜层表面水波纹引起的表面粗糙度k_s,w：

k_s，w＝B·h

式中，取B＝1.5；h为水膜厚度，h＝MVD·h^*/2；

c、求解雨滴撞击与溅射引起的等效的水膜层表面粗糙度k_s为：

k_s＝||[k_s,c k_s,w]||；

20)根据步骤17)得到的所有表面水膜控制体的水膜层厚度更新飞行器几何外形，根据带有附着水膜界面的、新的飞行器几何外形重构飞行器流场空间计算网格；

21)引入步骤19)得到的等效的水膜层表面粗糙度，根据重构的飞行器流场空间计算网格，以及飞行条件和降雨条件，再次进行空气相-雨滴相两相流体流动模拟计算，获得更新流场数据，根据更新流场数据获得更新空气相流体气动性能数据；

22)将步骤21)得到的更新空气相流体气动性能数据与步骤4)得到的空气相流体气动性能数据相减，再和步骤6)得到的雨滴撞击力系数增量数据叠加，获得降雨引起的飞行器气动性能损失数据。