一种飞机结冰表面粗糙度计算方法

技术领域

本发明涉及一种飞机结冰计算方法 ，尤其是涉及一种飞机结冰表面粗糙度计算方法。

背景技术

飞机在低于冰点的温度下飞行时，如果遇到含有过冷水滴的云层，云层中的水滴撞击在飞机表面上，就会导致结冰。结冰会改变飞机的绕流流场，导致部件载荷分布发生变化，从而破坏空气动力学性能，影响飞机的操纵性和稳定性，危害飞行安全。

数值计算可以快速预测飞机结冰严重程度。在结冰数值计算中，对流换热是影响结冰计算结果重要因素之一，对流换热系数对结冰增长速率和冻结系数影响都很大。当飞机表面未结冰时，可认为表面是光滑的，粗糙度对流换热影响较小，当粗糙度的值与边界层厚度相当或高于边界层厚度时，对流换热过程将大幅度增强。同时，结冰表面的粗糙度也会影响水收集系数和摩擦系数等，这些变化也会影响结冰的计算结果，因此，对于粗糙度的正确计算极为重要。

等效砂砾粗糙高度模型是一种广泛使用的粗糙度计算模型，其认为结冰表面粗糙度与液态水含量

虽然等效砂砾粗糙高度模型是经典的粗糙度模型，但是存在一定不足：在确定结冰的云雾场参数后，在整个结冰数值计算中，所使用的液态水含量

发明内容

为了充分考虑水滴撞击物体表面后云雾参数的变化，本发明提供了一种考虑水滴重新分布的飞机结冰表面粗糙度计算方法，包括以下步骤：

步骤S10：选取水滴粒径分布，根据水滴粒径分布选择

步骤S20：分别计算出

步骤S30：计算当地液态水含量

步骤S40：利用计算出的当地液态水含量

上述方案中，当地液态水含量

当地液态水滴平均体积直径

进一步地，步骤S30中，所述当地液态水含量

式中：

进一步地，步骤S30中，所述当地液态水滴平均体积直径

式中，

进一步地，步骤S40中，粗糙度

式中：c为特征长度，T为温度；

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明考虑到采用液态水在撞击到机翼表面后，水滴会重新分布，故其液态水含量

1）本发明提出了一种粗糙度的计算方法，所述方法计算出的粗糙度更贴合实际情况，更为精确，便于后续对机翼表面的结冰情况进行准确的判断。

2）本发明还具体提出了一种当地液态水含量

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是本发明中所述粗糙度计算方法的流程图 ；

图2是本发明中的一个实施例不同直径水滴液态水收集系数的拟合曲线图；

图3是本发明中的一个实施例水滴重新分布后的当地液态水滴平均体积直径

图4是本发明中的一个实施例水滴重新分布后的当地液态水含量

图5是本发明中的一个实施例计算出的粗糙度曲线图。

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。

飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时，水滴撞击在迎风表面后冻结发生结冰。结冰积累导致飞机表面高低不平，粗糙度增加。结冰表面粗糙度影响飞机表面的气流流动，使得气流边界层的转捩位置前移，并且会强化飞机表面与气流之间的对流换热。在结冰计算中，粗糙度和对流换热过程对生成的冰量和冰形有很大影响，因此，考虑粗糙度产生的原因及衡量方法，并将改进的粗糙度模型嵌入现有的结冰计算模型中可以提高结冰预测结果的准确性。

等效砂砾粗糙高度模型是一种广泛使用的粗糙度计算模型，其认为结冰表面粗糙度与液态水含量

液态水含量（Liquid Water Content，

平均体积直径（medium volume droplet diameter，

需要注意的是，该模型中的液态水含量

该模型存在一定不足：来流液态水含量

本发明考虑到这一不足，为了使粗糙度计算更为精确，更切合实际情况，本发明提出了一种粗糙度计算方法，其采用当地液态水含量

其中，当地液态水含量

当地液态水滴平均体积直径

同时，在本发明的一个实施例中，提出了一种考虑水滴重新分布的飞机结冰表面粗糙度计算方法，如图1所示为该计算方法的流程图。

该方法具体包括以下步骤：

步骤S10：选取水滴粒径分布，根据选取的粒径分布选择

水滴粒径是指：由于液态水滴只是近似球形，因此引入与之体积相当的球的直径来表征过冷水滴的大小，单位通常取为微米。一般说来，大部分水滴直径小于 40 微米，主要集中在 10-20 微米之间。本实施例中用

质量分数是指：为不同尺寸的水滴在总的液态水含量中所占的比例分布占的比例分布。本实施例中用

结冰计算中，水滴直径分布经常采用Langmuir D分布、正态分布等。

其中，Langmuir D分布包括了 7 种水滴粒径的水滴，每种尺寸的水滴直径

表1 Langmuir D分布水滴直径及质量分数

步骤S20：分别计算出

上述步骤中，

局部液态水收集系数是指：微元表面的实际水收集量与该微元表面上最大可能的水收集量之比，它是表征微元表面的水收集能力的一个参数。本实施例中用

有专门的数据分析计算软件可以用来计算局部液态水收集系数，如FENSAP-ICE、LEWICE、NNWICE等。

在本发明的一个实施例中，使用结冰数值模拟软件NNWICE，分别计算出

步骤S30：计算当地液态水含量

液态水含量

步骤S40：利用计算出的当地液态水含量

上述步骤中，利用步骤S30中计算出的当地液态水含量

在本发明的一个实施例中，提出了当地液态水含量

式中：

上述方案中，已知，在来流时，在物体的微元表面存在多种粒径的水滴。首先根据液态水含量的定义，利用前述步骤得到某种粒径为

在此基础上，以同样的方法，分别计算出其他粒径的液态水滴在物体微元表面的液态水含量，并对所有粒径

在本发明的一个实施例中，提出了当地液态水滴平均体积直径

式中，

积冰研究中，

根据

水滴粒径小于等于

水滴粒径小于等于

当满足：

时：

为了得到更为准确的当地液态水滴平均体积直径，进一步地，对

其中，

进一步地，步骤S40中，粗糙度

式中：c为特征长度，T为温度；

上述步骤中，在计算粗糙度

实验例

在本发明的一个实验例中，选取典型结冰计算条件：

步骤S10：分别计算出

本实施例中，水滴粒径的尺寸分布规律选取Langmuir D分布，该分布包含7种水滴尺寸，水滴粒径分布及质量分数如表1所示。为了使计算结果更为准确，本实施例中选取全部7 种水滴粒径。

步骤S20：计算各水滴粒径对应局部液态水收集系数

本实施例使用结冰数值模拟软件NNWICE，计算出每种粒径对应局部液态水收集系数

步骤S30：计算当地液态水含量

上述步骤中，使用前述方法分别计算出机翼表面液态水滴重新分布后当地液态水滴平均体积直径

步骤S40：利用计算出的当地液态水含量

本实验例中，使用计算出的当地液态水滴平均体积直径

从图5 可以看出，考虑水滴重新分布的飞机结冰表面粗糙度呈现驻点附近高撞击极限低的趋势，而现有技术中，使用传统的计算方法得到的粗糙度在壁面上均为常数，因此，本发明所计算出的粗糙度更贴合实际情况，更为准确，便于后续对机翼表面的结冰情况进行准确的判断。

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。