[发明专利]一种非稳态三维结冰数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种非稳态三维结冰数值模拟方法，属于飞机飞行安全设计领域。采用N‑S方程计算空气场、拉格朗日法计算水滴的运动轨迹，根据质量守恒和能量守恒计算结冰量和溢流水量，溢流水的流动方向及不同方向的流量分配由当地空气的速度矢量、当前单元和相邻单元的位置矢量计算得到。采用非稳态计算方法，每个时间步内，结冰计算从滞止单元组开始，对其中的每个网格单元进行热力平衡计算，得到结冰量、溢流水量以及溢流水流向的下一个网格单元编号，计算按照溢流水的流动方向向后推进，直到遍历结冰表面所有的网格单元，之后进入下一时间步的计算。通过算例与现有技术进行对比，证明本发明提出的非稳态三维结冰数值模拟方法是有效的。

技术领域

本发明涉及飞机飞行安全设计技术领域，特别是一种非稳态三维结冰数值模拟方法。

背景技术

结冰严重威胁着飞机的飞行安全。对结冰问题的研究可以采用实验和计算这样两种方式。结冰实验所用的冰风洞造价及运行费用高昂，并且我国目前投入使用的冰风洞都是小型冰风洞，受其尺寸限制，某些工况是无法实验的，因此采用实验的方法研究结冰问题存在着诸多困难和障碍。而随着数值计算方法以及计算机技术的发展，数值模拟越来越成为结冰研究的一个重要手段。数值模拟能够以较低的成本，较快的速度对所研究问题进行定性或定量的分析。国外对结冰的数值模拟发展较早，并且已经具有一些较为成熟的计算软件。国内近年来对结冰的数值模拟也逐渐增多，二维结冰计算研究开展较全面，三维结冰计算也逐渐展开，三维结冰计算中存在三个显著的难点：滞止单元的确定、溢流水的流向和结冰表面网格遍历。另外目前的三维结冰计算是按准定常方法进行，往往将结冰过程作为一个时间步，这与真实结冰过程有一定差别，导致了明冰、混合冰的计算结果往往与实验误差较大。

发明内容

因此，针对现有技术的上述问题，本发明为克服现有技术的不足，提出一种非稳态三维结冰的计算方法，能够更加真实地描述结冰过程，得到结冰冰形。

具体的，所述方法具体包括：

步骤1确定计算时间；

步骤2开始外循环，搜索当前计算单元组，首次计算时为滞止单元组；

步骤3开始内循环，在计算单元组内确定当前计算单元；

步骤4设定当前计算单元平衡温度；

步骤5计算当前计算单元的结冰量、溢流水量、平衡温度、冻结系数；

步骤6对当前计算单元进行结冰热力学计算，判断是否达到热力平衡；如果达到热力平衡，则进入步骤7，否则返回步骤4；

步骤7搜索溢流水将要流向的单元编号，计算流入水量及水温；

步骤8判断是否遍历当前计算单元组中所有单元，如果判断为是，结束内循环，进入步骤9，否则返回步骤3，进行下一次内循环；

步骤9判断是否遍历结冰表面所有网格单元，如果判断为是，结束外循环，进入步骤10，否则返回步骤2，进行下一次外循环并以步骤7搜索到的单元编号作为当前计算单元组。

步骤10判断是否达到设定的时间，如果判断为是，完成计算，否则返回步骤1开启下一时间步计算。

进一步的，所述方法中结冰表面网格的遍历是由内循环和外循环构成，外循环将计算单元组从前向后推进，内循环是完成计算单元组内网格的遍历。

进一步的，所述方法中滞止单元的确定方法为，根据单元的法向量与撞击速度矢量的夹角，如果小于某个数值，则该单元为滞止单元。

进一步的，所述方法中步骤7溢流水将要流向的单元的确定方法为，以当前单元的中心点与相邻单元的中心点形成矢量，点乘空气的速度矢量，获得两个矢量之间的夹角，如果夹角小于90度，则判定溢流水会流向该相邻单元。