[发明专利]一种飞行器飞行中遭遇降雨时的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种飞行器飞行中遭遇降雨时的数值模拟方法，包括步骤：生成飞行器流场空间计算网格；确定飞行条件和降雨条件；求解空气相流体气动性能数据和空气相流体壁面剪切应力；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；求解雨滴撞击力系数增量；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，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，依次求解所有表面水膜控制体的水膜厚度；求解雨滴溅射模型的四个参数；求解等效的水膜层表面粗糙度；根据水膜层厚度更新飞行器几何形状，重构飞行器流场空间计算网格；获得更新空气相流体气动性能数据；获得降雨引起的飞行器气动性能损失数据。

技术领域

本发明属于计算流体力学在航空工程领域的应用，尤其涉及一种飞行器飞行中遭遇降雨时的数值模拟方法。

背景技术

飞行器在空中执行飞行任务期间，经常会穿越云层而遭遇可能的降雨。在降雨环境下飞行时，雨水会与飞行器表面碰撞产生附加力和附加力矩，且雨水会附着于飞行器表面即时形成一层流动的水膜，不但增加了飞行器的质量，而且改变了飞行器的气动外形，对飞行器的空气流场特性造成影响，使飞行器气动性能遭到损失，危害飞行器的平衡性、稳定性、操纵性和飞行品质，影响飞行安全。此外，不容忽视的是，降雨使飞行器舱外视景能见度降低，影响飞行员的视线；雨水渗透可能使机载仪表设备失灵，影响飞行员的判断能力，可能导致仪表飞行困难；雨水被发动机吸入后，可能导致发动机性能恶化，严重时可能导致发动机停车。由于降雨使飞行器气动性能恶化，再加上述可能存在的不利因素，不可避免地使飞行器的飞行安全受到威胁，引发可能的飞行安全事故。

早在上世纪八十年代，为了保证飞行器在降雨环境下的飞行安全性，世界航空强国就已开始进行相关研究。通过对降雨导致的飞行安全事故的调查、分析与研究，人们逐渐意识到气动性能下降是降雨引发飞行器飞行安全事故的首要根源，因此众多研究者对该问题展开了不懈的探索与研究。对降雨致使飞行器气动性能恶化的主要研究手段有飞行试验、风洞试验和计算机数值模拟，其中，飞行试验作为最直接的研究方法，要求在飞行器上安装仪器和设备，以精确记录环境参数，同时飞行员还要在仪表飞行条件下探索安全的飞行包线；因此，这种方法不仅成本高昂、风险性大，而且受自然气候的限制，即使在较长试验期内可能也无法验证完所有自然降雨条件，研究周期长。相比于飞行试验，风洞试验安全系数较大，但试验中较难精确产生飞行中遭遇的雨滴尺寸分布和雨滴运动速度分布，且在试验中不仅要精确模拟降雨，还要确定试验相似准则，并通过技术手段将试验结果应用于全尺寸飞行器；显然，这对试验仪器和试验设备的技术指标以及试验技术手段的要求都相当高，成本依然十分昂贵。计算机数值模拟方法可以利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遭遇降雨时的状态，是计算流体力学在航空工程领域的应用；先进的数值模拟技术不但可以减少飞行试验、降低风险，而且还能弥补风洞试验中的误差与缺陷。事实上，在意识到降雨对飞行器恶劣影响的根源后，国际上就有人逐步开始采用数值模拟方法进行研究，不仅在理论上对降雨这一复杂现象有了深刻认识，而且对降雨引起飞行器气动性能损失的机理也有了一定理解，甚至人们开始尝试量化研究降雨引起的飞行器气动性能损失。在研究初期，因在数值模拟技术中仅考虑了雨滴体积力的影响，所得结果与真实情况相差较大；经过数十年的发展，在逐步计入水膜层影响和雨滴溅射影响后，数值模拟结果与真实情况基本符合。