一种过冷大水滴结冰条件的优化匹配评估方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种过冷大水滴结冰条件的优化匹配评估方法。

背景技术

当飞机在云层中飞行时，云层中的过冷水滴（即温度低于冰点的液态水滴）会不断撞击飞机迎风面，导致其表面发生结冰现象。飞机结冰广泛存在于飞行实践中，并严重威胁飞行安全。

过冷大水滴泛指液滴直径超过100μm的过冷水滴，鉴于过冷大水滴结冰对飞机飞行安全的严重危害，美国联邦航空管理局于 2014 年正式发布了联邦航空规章25部附录O，给出了过冷大水滴结冰气象条件，明确提出过冷大水滴结冰气象条件特有的液滴分布特征，如图1所示为四种典型的标准液滴分布图，其包括MVD<40μm的冻细雨、MVD>40μm的冻细雨、MVD<40μm的冻雨、MVD>40μm的冻雨，其中，图1中的横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数，累积体积分数的定义为：小于设定液滴直径的液滴体积与总液滴体积之比；另外，MVD表示为体积中值直径。

结冰风洞是开展飞机结冰研究及飞机部件防除冰系统验证的重要地面试验设备，其在飞机结冰适航审定中扮演着重要角色。过冷大水滴结冰气象条件的全面试验模拟是目前结冰风洞重点发展的试验模拟能力，其中过冷大水滴结冰气象条件液滴分布特征是主要的试验模拟内容。

在进行结冰风洞试验时，需要将结冰风洞模拟的液滴分布与过冷大水滴结冰条件液滴分布进行匹配，例如，在某次结冰风洞试验中，需要模拟MVD<40μm的冻细雨，那么，期望将结冰风洞模拟的液滴分布与MVD<40μm的冻细雨的液滴分布尽量靠近，具体地，结冰风洞模拟的液滴分布通过测量或者模拟得到，MVD<40μm的冻细雨的液滴分布由图1给出（也就是属于一种标准的分布，或者说是一种试验标准），当测量或者模拟得到的结冰风洞模拟的液滴分布与图1中给出的MVD<40μm的冻细雨的液滴分布越靠近时，证明匹配度越高。

如相关文件1（符澄，结冰风洞中 SLD 模拟方法及其实验验证研究）中，其图7给出了数值模拟与适航标准所确定的SLD结冰条件的累积体积分布比较。

但是，相关文件1中，在判断数值模拟结果与适航标准滴谱曲线吻合程度时，采用是定性的目测判断方法，该方法显著受人为主观因素的影响，难以客观全面的评价匹配程度的优劣，进而无法客观评价结冰风洞过冷大水滴试验模拟能力的优劣，不利于结冰风洞过冷大水滴试验模拟能力的发展。

其他研究机构方面，国外美国NASA Glenn中心 IRT结冰风洞、加拿大国家研究院NRC AIWT 结冰风洞和奥地利 RTA 结冰风洞等主要结冰风洞均开展了过冷大水滴结冰条件液滴尺寸试验研究，国内中国空气动力研究与发展中心也开展了初步的试验研究，但是这些方法均停留在定性的目测判断阶段，缺乏定量、客观的过冷大水滴结冰条件液滴尺寸试验匹配评估方法。

综上所述，现有技术在对过冷大水滴结冰条件液滴尺寸试验匹配评估时，采用是定性的目测判断方法，国内外针对过冷大水滴结冰条件液滴尺寸试验匹配评估的问题，尚未形成定量、客观的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过冷大水滴结冰条件的优化匹配评估方法，旨在解决现有技术中的仅能定性评估的技术问题。

本发明提供了一种过冷大水滴结冰条件的优化匹配评估方法，其包括如下步骤：

步骤S10：从标准液滴分布中，选取多个特征液滴点；

步骤S20：将标准液滴分布划分为多个特征液滴直径区间；

步骤S30：测量得到测量液滴分布，计算每个特征液滴点的液滴直径在测量液滴分布中的累计体积分数；

步骤S40：将测量液滴分布划分为多个测量液滴直径区间；

步骤S50：计算匹配偏差因子

步骤S60：计算匹配偏差最优阈值

步骤S70：根据匹配偏差因子

可选地，所述步骤S10中，将特征液滴点的序号记为

可选地，所述步骤S20中，将特征液滴直径区间的序号记为

可选地，所述步骤S60包括如下步骤：

步骤S61：构建最优匹配累积分布函数

其中，标准液滴分布由标准第一喷雾和标准第二喷雾共同形成，

步骤S62：第

步骤S63：根据以下公式计算匹配偏差最优阈值

其中，V

可选地，所述步骤S30中，将测量液滴点的序号记为

当

当

当

可选地，所述步骤S40中，当第

可选地，在第

其中，

可选地，所述步骤S40中，当第

可选地，在第

可选地，，在步骤S70中，将测量液滴分布与标准液滴分布之间的匹配程度划分为优、良、中、差四个等级，优、良、中、差四个等级对应的匹配偏差因子

优：0≤

良：

中：20%<

差：40%<

本发明相对于现有技术的技术效果是：

1.本发明中，除了计算匹配偏差因子之外，还计算匹配偏差最优阈值，可以进一步衡量匹配效果的优劣，因而评价更客观；

2.本发明中，构建了最优匹配累积分布函数，用于表示标准液滴分布的双峰分布特征，因而计算出的匹配偏差最优阈值，可以更客观地评价测量液滴分布与标准液滴分布之间的匹配程度；

3.本发明中，通过匹配偏差因子和匹配偏差最优阈值来评估测量液滴分布与标准液滴分布之间的匹配程度，为一种具体的定量方法，而非现有技术中的定性的目测判断方法，本发明能够更加客观地评价；

4.本发明中，将标准液滴分布划分为多个特征液滴直径区间，将测量液滴分布划分为多个测量液滴直径区间，因而将测量液滴分布与标准液滴分布在各个区间之间的分区匹配程度，均考虑进了匹配偏差因子的计算，因而更能客观地评价测量液滴分布与标准液滴分布之间的整体匹配程度。

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是四种典型的标准液滴分布图；

图2是本发明实施例一提供的一种过冷大水滴结冰条件的匹配评估方法流程图；

图3是本发明实施例一中的标准液滴分布的简化图；

图4是本发明实施例一中的测量液滴分布图；

图5是本发明实施例一中的组合图一；

图6是本发明实施例一中的测量液滴分布图的测量液滴直径区间划分示意图一；

图7是本发明实施例一中的组合图二；

图8是本发明实施例一中的测量液滴分布图的测量液滴直径区间划分示意图二；

图9是本发明实施例二提供的一种过冷大水滴结冰条件的优化匹配评估方法；

图10是本实验例中的标准液滴分布图；

图11是本实验例中的测量液滴分布图；

图12是本实验例中的隐藏了测量液滴点的组合图。

具体实施方式

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。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

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。

实施例一

如图2所示，本发明实施例一提供了一种过冷大水滴结冰条件的匹配评估方法，其包括如下步骤：

步骤S10：从标准液滴分布中，选取多个特征液滴点；

如图3所示标准液滴分布的简化图，图3中的实线曲线表示图1中的四种典型的标准液滴分布图之一；图3中的横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数。

图3中的圆心圈即为选取的特征液滴点。

步骤S20：将标准液滴分布划分为多个特征液滴直径区间；

继续参见图3，图3中的虚直线之间的区域、以及最左侧的虚直线与实直线之间的区域，共同构成了多个特征液滴直径区间，其中，每条虚直线均通过特征液滴点，且垂直于代表液滴直径的横轴。图3中的星点代表标准液滴分布中具有最小液滴直径的液滴点，图3中的实直线通过该星点，且垂直于代表液滴直径的横轴。

值得说明的是，特征液滴直径区间实质上为一个封闭图形，该封闭图形由标准液滴分布曲线、通过特征液滴点的虚直线、横轴围成，或者由标准液滴分布曲线、通过星点的实直线、横轴围成，本发明中，为了表述的方便，将多个特征液滴直径区间表述为虚直线之间的区域、以及最左侧的虚直线与实直线之间的区域等，仅仅是为了表述的方便，实质上还是代表一个封闭区域。下文中的测量液滴直径区间进行类似表达，下文不再赘述。

步骤S30：测量得到测量液滴分布，计算每个特征液滴点的液滴直径在测量液滴分布中的累计体积分数；

如图4所示为测量液滴分布图，图4中的横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数，图4中的实心圈即为测量液滴点。

将图3中的标准液滴分布的简化图和图4中的测量液滴分布图均放在一张图中，形成一张组合图，如图5所示为组合图一，图5中的横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数。

与图3类似，通过每个特征液滴点沿垂直于横轴的方向做虚直线，虚直线与代表测量液滴分布图的虚曲线之间形成交点，将该交点用空心框表示，空心框的横坐标即为特征液滴点的液滴直径，空心框的纵坐标即为特征液滴点的液滴直径在测量液滴分布中的累计体积分数。

步骤S40：将测量液滴分布划分为多个测量液滴直径区间；

为了描述方便，将图5中的测量液滴分布图摘出来，如图6所示为测量液滴分布图的测量液滴直径区间划分示意图一，图6中，横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数，虚直线之间的区域、以及最左侧的虚直线与最左侧的实直线之间的区域、最右侧的虚直线与最右侧的实直线之间的区域，共同构成了多个测量液滴直径区间，其中，每条虚直线均通过特征液滴点，也通过图5和图6中的空心框，且垂直于代表液滴直径的横轴，图6中的最右侧的实直线通过具有最大测量液滴直径的测量液滴点，图6中的最左侧的实直线通过星点。

步骤S50：计算匹配偏差因子。

在计算出匹配偏差因子之后，即可评估出过冷大水滴结冰条件匹配结果，具体地，即可得知标准液滴分布和测量液滴分布的匹配结果；当匹配偏差因子越大，标准液滴分布和测量液滴分布的匹配程度越差，当匹配偏差因子越小，标准液滴分布和测量液滴分布的匹配程度越好。

本发明中，通过匹配偏差因子来评估测量液滴分布与标准液滴分布之间的匹配程度，为一种具体的定量方法，而非现有技术中的定性的目测判断方法。

进一步地，所述步骤S10中，将特征液滴点的序号记为

如图3中，第

进一步地，所述步骤S20中，将特征液滴直径区间的序号记为

继续参见图3，当

进一步地，所述步骤S30中，将测量液滴点的序号记为

当

当

当

第

进一步地，所述步骤S40中，当第

如图7所示为组合图二，图7中的横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数，图7中的第

进一步地，在第

其中，

进一步地，当第

如图5所示为组合图一，图5中的第

进一步地，在第

其中，V

本发明中，将标准液滴分布划分为多个特征液滴直径区间，将测量液滴分布划分为多个测量液滴直径区间，因而将测量液滴分布与标准液滴分布在各个区间之间的分区匹配程度，均考虑进了匹配偏差因子的计算，因而更能客观地评价测量液滴分布与标准液滴分布之间的整体匹配程度。

实施例二

如图9所示，本发明实施例二提供了一种过冷大水滴结冰条件的优化匹配评估方法，其包括如下步骤：

步骤S10：从标准液滴分布中，选取多个特征液滴点；

步骤S20：将标准液滴分布划分为多个特征液滴直径区间；

步骤S30：测量得到测量液滴分布，计算每个特征液滴点的液滴直径在测量液滴分布中的累计体积分数；

步骤S40：将测量液滴分布划分为多个测量液滴直径区间；

步骤S50：计算匹配偏差因子

步骤S60：计算匹配偏差最优阈值

步骤S70：根据匹配偏差因子

其中，步骤S10

进一步地，步骤S60包括如下步骤：

步骤S61：构建最优匹配累积分布函数

其中，标准液滴分布由标准第一喷雾和标准第二喷雾共同形成，

此步骤的主要目的是考虑到适航条例25部附录O给出的过冷大水滴结冰条件液滴尺寸分布具有显著的双峰分布特征，需要两种不同液滴分布形态的人造喷雾去匹配，因而构建了上述公式。

步骤S62：第

步骤S63：根据以下公式计算匹配偏差最优阈值

在步骤S70中，可以将测量液滴分布与标准液滴分布之间的匹配程度划分为多个等级，比如优、良、中、差四个等级，各等级对应的匹配偏差因子

优：0≤

良：

中：20%<

差：40%<

本发明实施例二在实施例一的基础上，通过计算匹配偏差最优阈值

实验例

以下通过一实验例来进一步说明本发明，下文中的实验例中的标准液滴分布为MVD<40μm的冻细雨的标准液滴分布。

如图10所示，其横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数，在MVD<40μm的冻细雨的标准液滴分布上选取

特征液滴直径区间依次为[1

特征液滴直径区间的体积分数依次为0.1、0.2、0.2、0.2、0.1、0.05、0.05、0.05、0.025、0.025。

测量液滴分布如图11，其横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数，共计

第

计算得出的匹配偏差因子

隐藏了测量液滴点的组合图如图12所示，其横坐标为液滴直径，纵坐标为累积体积分数。

进一步地，还可以继续进行如下实验：

将典型人造喷雾经验累积分布函数选取为

其中，

经计算，匹配偏差最优阈值

由于

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。