一种翼型冰型特性快速评估数值模拟方法

技术领域

本发明属于飞行器翼型冰型模拟技术领域，具体涉及一种翼型冰型特性快速评估数值模拟方法。

背景技术

飞行器在穿越富含过冷水滴的云层，过冷水滴撞击并覆盖到低于零度的迎风表面上水滴的表面积突然增大，表面张力减小，内压降低导致水滴内部冰点升高，极易冻结成冰，明冰可使机翼升力下降35％，积冰严重时的飞行阻力相比光滑机翼可增加3倍之多，因此能够快速预测积冰形状对飞机的飞行安全非常重要，现有的技术多为单次求解迭代单个翼型的积冰外形，霜冰和角状明冰的模拟需要不同的网格思路，积冰计算每个部分均需要人工干预，单次计算积冰外形耗时较长，不同模块数据交互速度较慢，普适性差，不能实现批量快速多次迭代冰型求解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种翼型冰型特性快速评估数值模拟方法，解决了不能实现批量快速多次迭代冰型求解的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种翼型冰型特性快速评估数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、确定积冰模拟使用的翼型曲线，生成对应的翼型数据点；

步骤2、对翼型数据点进行网格划分操作，分别对翼型数据点的前缘和后缘进行局部加密，根据y+小于1确定边界层第一层高度值，生成初始干净翼型的2.5D网格；

步骤3、求解2.5D网格的流场信息，使用Python更改流场计算控制参数，给定不同计算工况下的流场计算控制参数，以相同的边界条件、湍流模型和Co uple压力速度耦合的方式确定流场迭代，以多节点并行方式，进行批处理求解计算，保存相应的流场求解数据，用作结冰前后的数据对比，并输出流场文件用于结冰解耦计算；

步骤4、通过python框架建立积冰求解模块和流场文件的数据交互，以脚本的形式控制水滴参数，进行欧拉水滴轨迹计算，得到表面水滴收集分布；

步骤5、读取水滴收集分布，根据计算温度判别结冰类型，计算翼型前缘单次结冰结果，得到结冰后的翼型数据点，记录结冰时间为t；

步骤6、根据结冰时间计算条件，应满足n次结冰时间nt不小于总结冰时间T，符合则结束计算，反之将结冰后的翼型数据点返回至步骤2，重复步骤2-步骤5，直至满足条件。

进一步，步骤1中，通过翼型生成软件或在线翼型数据库输出对应的翼型数据点。

进一步，步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、翼型曲线切分：读取翼型数据点，通过样条曲线绘制光滑翼型曲线，在曲线前缘点处切分为上下两部分，得到上翼型曲线和下翼型曲线；

步骤2.2、面网格生成：在上翼型曲线和下翼型曲线上均布多个网格节点，设置曲线起始两点的间距，细化前缘和后缘，设置第一层网格高度为10

步骤2.3、2.5D网格绘制：将面网格沿展长方向拉伸单位长度，计算边界命名为远场、壁面和对称边界，完成2.5D网格用于流场计算。

进一步，步骤3中，流场计算控制参数包括速度、大气温度、攻角和壁面温度。

进一步，步骤4中，欧拉水滴轨迹计算后得到水滴收集系数和撞击边界，输出水滴场结果文件。

进一步，步骤5具体为：获取水滴场结果文件和水滴参数，根据温度条件判断冰形类型，高于-15℃为明冰或混合冰，使用Beading模型自动更新粗糙度，计算结冰单元控制体内的冰形边界和传热系数，单次结冰输出新的结冰翼型数据点；

低于-15℃为霜冰，则计算结冰单元控制体内的冰形边界和传热系数，单次结冰输出新的结冰翼型数据点。

进一步，步骤4中，水滴参数包括液态水滴含量和平均水滴有效直径。

进一步，步骤4中，液态水滴含量的计算公式为：

99％LWC＝0.553-0.089log

式中，LWC为液态水滴含量，H为海拔高度；

根据99％置信度计算对应海拔高度中的大气水滴含量，按照不同类型飞机适航标准确定平均水滴有效直径，得到水滴参数。

进一步，步骤2中，将翼型数据点导入网格生成软件，进行网格划分操作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种快速预测翼型冰型特性的数值模拟方法，网格自动生成，通过求解欧拉水滴轨迹和浅水流动的结冰相变模型，能够较好实现存在水膜流动的明冰模拟，通过Python调用程序进行数据传递，简易高效的完成从翼型数据点到冰型特性的快速计算，自动选择积冰类型，不同的表面粗糙度更新方法和多步法能较好的拟合风洞试验数据，各计算模块均为公开软件，简单易操作，计算精度较高，稳定可靠。

本发明利用Python编写不同软件的接口和运行脚本，实现了从翼型数据点到不同大气环境积冰翼型气动特性的快速计算模拟，通过多次定常积冰求解模拟非定常的积冰形成，不仅能较好的拟合风洞试验数据，还能快速得到积冰前后的升阻力系数、压力分布等气动参数，冰型生长和厚度变化引起的气动特性改变，能够满足各种明冰、霜冰的模拟要求，操作过程简易高效，有利于快速判断不同大气环境下的飞行安全，为飞机气动设计思路提供积冰特性快速评估方法。

进一步，无论是那种冰形，都需要进行冰形积聚与回流，但是高于-15℃为明冰或混合冰，需要先使用Beading模型自动更新粗糙度，能算的更准，低于15℃，有无beading模型都算的结果一样。

附图说明

图1是本发明的流程框架图。

图2是本发明的多步法冰型曲线；

图中的冰型曲线通过7次定常模拟实现，上一次的积冰结果作为下一次积冰翼型的输入，冰型增长计算均在前一次模拟的基础上进行。

图3是本发明的多步法冰型对应的流场云图信息。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开了翼型冰型特性快速评估数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1.确定积冰模拟使用的翼型曲线，通过Profili输出对应翼型数据点，保存为dat文件；

步骤2.将翼型数据点导入Pointwise软件进行网格划分，对前缘和后缘进行局部加密，根据y+小于1确定边界层第一层高度值，最终生成展向长度为1的初始干净翼型的2.5D网格，输出case文件；

步骤3.在Fluent求解翼型的流场信息，将初始干净翼型的流场输出为plt文件，保存相应的升力、阻力、力矩和压力分布等参数，用作结冰前后的数据对比，结冰后翼型压力云图变化见图3，并输出流场文件用于结冰解耦计算；

步骤4.通过python框架建立积冰求解模块DROP3D和ICE3D的数据交互，以脚本的形式控制积冰参数如LWC、MVD和积冰时间t等的值，输出冰型几何plt文件；

步骤5.读取水滴收集分布，根据计算温度判别结冰类型，计算翼型前缘单次结冰结果，得到结冰后的翼型数据点，多次计算的到的结冰几何外形如图2，记录结冰时间为t；

步骤6、根据结冰时间计算条件，应满足n次结冰时间nt不小于总结冰时间T，符合则结束计算，反之将结冰后的翼型数据点返回至Pointwise，在结冰翼型基础上重新生成网格，重复步骤2-步骤5，直至满足条件。

步骤2中，网格划分使用Pointwise，具体实现过程包括以下步骤：

步骤2.1、翼型曲线切分：读取翼型数据点，通过样条曲线绘制外形曲线，在前缘点处把翼型曲线切分为上下两部分。

步骤2.2、面网格生成：上下翼型曲线均布160个网格节点，对前缘和后缘部分进行加密，初始两点间距为1x10-5m，以1.2的增长率细化前后缘，第一层网格高度为3x10-6m，以翼型曲线外形为基准，向外延伸80步。

步骤2.3、2.5D网格：积冰模拟使用的计算网格为三维类型，为提高计算效率，生成2.5D网格进行代替。将上一步生成的面网格和几何边界沿展向拉伸单位长度，分别命名远场、翼型壁面和对称边界，选择fluent作为求解器输出网格。

fluent流体求解包括以下步骤，其中所有操作通过TUI脚本命令执行，以批处理形式启动fluent：

步骤3.1、启动方式：读取特定journal文件，包括软件的命令行启动和多核并行计算。设定运行cpu数量，不运行图形界面启动fluent，命令为flu ent 3ddp-g-t8-ixxx.jou。

步骤3.2、预处理：设置对应湍流模型，FENSAP-ICE空气水滴两相流支持k-ωSST湍流模型和S-A湍流模型，激活viscous heating，能量普朗特数和壁面普朗特数设置为0.9，修改气体参数为ideal-gas，设置计算边界条件为pressure-far-field，速度为0.3ma，温度为262.166K，设置翼型的表面温度为大气温度+10K。

步骤3.3、迭代求解：选择压力速度耦合方式，使用SIMPLEC算法，设置升阻力系数的监视器，迭代步数设为1000，并输出相应的升阻力系数和流场压力云图结果。

步骤4中，欧拉水滴轨迹计算后得到水滴收集系数和撞击边界，输出水滴场结果文件；

步骤5中，具体为：获取水滴场结果和水滴参数，根据温度条件判断冰形类型，小于15℃为明冰或混合冰，使用Beading模型自动更新粗糙度，大于15℃为霜冰，计算控制体内的冰形边界和传热系数，单次结冰输出新的结冰翼型数据点。

步骤4中，水滴参数包括液态水滴含量和平均水滴有效直径。

液态水滴含量的计算公式为：

99％LWC＝0.553-0.089log

式中，LWC为液态水滴含量，H为海拔高度；

根据99％置信度计算对应海拔高度中的大气水滴含量，按照不同类型飞机适航标准确定平均水滴有效直径，得到水滴参数。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。