一种防冰系统的壁面温度模拟方法

技术领域

本发明属于防除冰技术领域，尤其是涉及一种防冰系统的壁面温度模拟方法。

背景技术

航空航天器表面在空中形成结冰具有很大危害，不仅增加航空航天器的重量，而且破坏航空航天器的气动外形，增加了航空航天器的阻力，导致操纵性、稳定性下降，可能引起严重的事故。现有航空航天器的结冰保护系统分为两类：一类是防冰系统，即不允许在航空航天器部件上结冰的系统；另一类是除冰系统，允许在航空航天器部件上存在少量结冰，然后进行周期性除冰。

热气防冰方法是从发动机的高压压气机引出高温高压的气体，通过热气管路引到需要防护的位置，并通过一定的射流冲击形式，加热所需防护壁面的内部。从而使得表面过冷水温度升高，防止壁面积冰现象的发生。为了确保所设计的热气防冰系统具有高效安全的工作性能，需要对热气防冰系统进行分析研究。

对于热气防冰系统的数值模拟，需要判断在热气防冰系统开启的条件下，表面是否有冰的生成，如果有冰的生成需要能够模拟冰的厚度，需要能够自动判断表面是否存在溢流水（湿表面防冰）还是撞击水滴完全被蒸发（干表面防冰）。同时还要能够准确的模拟热气防冰系统工作过程中的表面温度。

目前用于热气防冰系统的模拟方法，如商业软件FENSAP-ICE以及卜雪琴等人的“基于CFD的水收集系数及防冰表面温度预测”和“某型飞机发动机短舱热气防冰系统性能数值模拟”文献等，均采用将内部热气流场计算、外部空气过冷水滴以及薄表面膜的流动换热计算分开，且多集中于防冰热载荷的分析，即假定已知壁面温度分析计算达到该温度所需要的热载荷。此种方法需要预先假设一个壁面的温度或者热流，而后内外分开计算，直到内外流场计算的得到的壁面温度或者热流相同。

由于对防冰部件表面的对流换热和蒸发的计算严重依赖防冰部件的表面温度，因此采用上述内外分开形式的模拟方法所计算收敛性严重依赖于壁面的初始温度或者对初始热流的假设，一旦所假设的初始温度和初始热流与真实的偏差较大，极容易导致整个迭代过程不收敛。同时，该方法规避了壁面表面膜以及冰层状态未知的计算困难，忽视了表面膜高度方向的温度梯度带来的影响，虽然可以实现对防冰系统的设计前的简单分析，却难以用于对防冰系统的完整分析。并且，该方法的模拟需要建立两套网格，将内部干空气流场和外部干空气流场分别进行网格划分，增加了计算的工作量和复杂程度，降低了计算的效率。

综上所述，现有技术中存在的技术问题有：

1. 采用内外分开的模拟方法所计算收敛性严重依赖于对壁面初始温度或者初始热流的假设，一旦假设的初始温度和初始热流与真实数据偏差较大，将导致整个迭代过程不收敛；

2. 现有模拟方法忽视了表面膜沿高度方向的温度梯度，认为表面膜底部和顶部温度一致，而真实条件下，表面膜上下表面存在温度差，因此可以传递热量，虽然可以实现对防冰系统的设计前的简单分析，却难以用于对防冰系统的完整分析，降低了模拟的精度；

现有方法的模拟需要建立两套网格，将内部干空气流场和外部干空气流场分别划分，增加了计算的工作量和复杂程度，存在计算效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种防冰系统的壁面温度模拟方法，采用松弛迭代的方法计算壁面温度，能够有效避免现有迭代过程存在的不收敛问题，提高了防冰系统和壁面温度的模拟精度和计算效率。

一种防冰系统的壁面温度模拟方法，包括如下步骤：

步骤S10：对壁面和干空气流场进行网格划分，所述壁面的网格划分与所述干空气流场的网格划分一致，所述干空气流场包括壁面外部的外部干空气流场和壁面内部的内部干空气流场；

步骤S20：通过干空气流场模拟模块获取第0次壁面温度

步骤S30：通过第i-1次壁面温度

步骤S40：判断第i次壁面温度

进一步的，在所述步骤S40中，若第i次壁面温度

进一步的，所述步骤S30中，所述第i-1次表面膜总能量为

进一步的，所述第i-1次水滴撞击能量为

进一步的，通过

进一步的，所述第i-1次第一系数为

进一步的，所述第i-1次表面膜厚度

进一步的，所述第i-1次表面膜相变能量为

进一步的，所述第i-1次结冰能量为

本发明提供了一种具有收敛性好、求解方便、更加接近真实物理过程的壁面温度模拟方法，具体的，本发明所能实现的技术效果如下：

1. 现有技术中防冰系统的计算经常出现不收敛的情况，但本领域技术人员并未发现出现不收敛的原因，本发明发现由于现有防冰系统对温度的计算忽略了表面膜上表面与下表面温度的差异，将其看做一个温度进行处理，常常导致迭代过程不收敛。因此，通过假设水膜中温度沿着厚度方向上温度呈线性变化，建立壁面温度计算模型，避免了迭代过程可能存在的不收敛问题，实现了迭代过程收敛性好，使得计算结果更加接近于实际壁面温度；

2. 本发明综合考虑了表面膜上表面以及下表面的温度差和热量传递，能够用于对防冰系统进行完整分析，弥补了现有技术中将内外部干空气流场的温度和热量分别计算而导致的模拟精度差的问题，进一步提升了模拟的精度；

3. 通过将壁面的网格划分与内外部干空气流场的网格划分设置一致，使得整个防冰系统整体采用一套网格，极大降低了防冰系统的算法工作量，减少了算法的复杂程度，求解方便，提高了计算效率；

4. 同时，通过

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中壁面的结构示意图；

图2是本发明实施例1中的一种防冰系统的壁面温度模拟方法；

图3是本发明实施例2中的一种防冰系统的壁面温度模拟方法。

其中，1、表面膜，2、水膜，3、冰膜，4、外部干空气流场，5、内部干空气流场，6、壁面。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所公开的任何方面。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，为本发明实施例1中壁面的截面结构示意图，图中壁面6表面附有表面膜1，表面膜1包括冰膜3和/或水膜2。其中，当壁面6为湿表面时，表面膜1中仅有水膜2；当壁面6为明冰表面时，表面膜1中仅有冰膜3；当壁面6为冰水混合的霜冰表面时，表面膜1中同时存在冰膜3和水膜2。此外，在壁面内部具有内部干空气流场5，壁面外部具有外部干空气流场4，外部干空气流场4中包括空气和/或水滴。外部干空气流场4中的水滴撞击壁面6进入表面膜1中的水膜，因此，表面膜总能量受水滴撞击壁面所带来的能量的影响。

如图2所示，为本发明实施例1中的一种防冰系统的壁面温度模拟方法，包括如下步骤：

步骤S10：对壁面和干空气流场进行网格划分，所述壁面的网格划分与所述干空气流场的网格划分一致，所述干空气流场包括壁面外部的外部干空气流场和壁面内部的内部干空气流场；

步骤S20：通过干空气流场模拟模块获取第0次壁面温度

步骤S30：通过第i-1次壁面温度

步骤S40：判断第i次壁面温度

其中，步骤S30和步骤S40中的第i次壁面温度

本发明发现由于现有防冰系统对温度的计算忽略了表面膜上表面与下表面温度的差异，将其看做一个温度进行处理，常常导致迭代过程不收敛。因此，本实施例建立了一种防冰系统的壁面温度计算模型，具体为一种热气防冰系统的壁面温度计算模型，通过假设水膜中温度沿着厚度方向上温度呈线性变化，避免了迭代过程可能存在的不收敛问题，实现了迭代过程收敛性好，使得计算结果更加接近于实际壁面温度；同时，综合考虑了表面膜上表面以及下表面的温度差和热量传递，能够用于对防冰系统进行完整分析，弥补了现有技术中将内外部干空气流场的温度和热量分别计算而导致的模拟精度差的问题，进一步提升了模拟的精度，计算结果更加接近于实际壁面温度，有利于后续对壁面进行更精确和有效的除防冰工作；并且，本实施例通过将壁面的网格划分与内外部干空气流场的网格划分设置为同一套网络，使得整体防冰系统采用一套网格，极大降低了防冰系统的算法工作量，减少了算法的复杂程度，求解方便，提高了计算效率。

所述干空气流场模拟模块为本领域技术人员通常所称的采用流场动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）进行计算的模型，对壁面内部干空气流场和壁面外部干空气流场进行单相流的流体力学模拟，将其控制方程中积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使其成为代数方程组，然后通过计算机求解这些离散的代数方程组，获得离散的时间和/或空间点上的数值解，即壁面内外干空气耦合传热模型。

具体的通过第i-1次壁面温度

其中，步骤S30中，第i-1次表面膜总能量为

其中，第i-1次水滴撞击能量为

进一步的，通过

本实施例进一步通过假设水膜中温度沿着厚度方向上温度呈线性变化，考虑了表面膜上下表面的温度差和热量传递，能够用于对防冰系统进行完整分析，进一步提升了模拟的精度。

上述计算中，还需要对第i-1次表面膜厚度

其中，时间步长就是载荷步中，载荷子步的时间间隔。在静态分析、非线性分析等这些自变量的分析中，在一个载荷步中，时间步长并不反映“真实”的时间，它累计用来反映载荷子步的先后顺序；而在瞬态分析等自变量的分析中，时间步长的大小即真实的时间的长短。

此外，本实施例还需计算第i-1次蒸发质量

如图3所示，为本发明实施例2中的一种防冰系统的壁面温度模拟方法，对实施例1中的

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。