CN107702879A - 一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，包括如下步骤：步骤一、通过结冰风洞实验获取结冰宏观形貌；步骤二、通过冰型显微图像实验获取结冰微观形貌及形核密度；步骤三、通过相场模拟获取结冰冰型微结构特征。与现有技术相比，本发明的积极效果是：采用本发明方法，可建立结冰微结构特征的预测方法，有效克服目前结冰特性预测主要为宏观预测的不足，从而为进一步建立结冰物理特性的定量表征方法，提高结冰预测的精细化水平，研制高效率、低冗余的飞机防除冰系统，有效提高飞机结冰条件下的安全飞行能力提供技术支撑。

Description

一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法

技术领域

本发明涉及一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法。

背景技术

现有飞机结冰冰型预测方法主要通过数值计算或实验方法模拟飞机结冰的宏观形貌，难以预测不同结冰条件下动态结冰冰型细节特征，也无法建立结冰条件与结冰物理特性之间的定量关系，从而较大程度地制约了人们对飞机结冰特性及其对飞行安全危害精细化预测水平的提升。

针对目前飞机结冰冰型特征无法量化表征，从而严重制约了对飞机结冰特性及其对飞行安全影响精细化预测的现状，本发明提出一种能够预测动态结冰冰型微结构特征的方法，为有效预测结冰特性及其危害，从而发展高效的结冰防除方法提供技术基础。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，包括如下步骤：

步骤一、通过结冰风洞实验获取结冰宏观形貌；

步骤二、通过冰型显微图像实验获取结冰微观形貌及形核密度；

步骤三、通过相场模拟获取结冰冰型微结构特征。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：采用本发明方法，可建立结冰微结构特征的预测方法，有效克服目前结冰特性预测主要为宏观预测的不足，从而为进一步建立结冰物理特性的定量表征方法，提高结冰预测的精细化水平，研制高效率、低冗余的飞机防除冰系统，有效提高飞机结冰条件下的安全飞行能力提供技术支撑。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为动态结冰冰型微结构特征预测方法流程图；

图2为结冰过程冰型微结构特征的演化示意图。

具体实施方式

本发明采用风洞实验、显微图像实验与相场模拟相结合的方法，建立一种能有效预测飞机动态结冰冰型微结构特征的方法，如图1所示，包括如下步骤：

1、在结冰风洞内，固定来流速度、水滴直径及液态水含量，变换来流温度开展结冰风洞实验，获得模型表面在不同温度工况下的结冰宏观形貌。

2、针对目前国内外飞机动态结冰过程形核率数据缺乏的现状，在结冰风洞实验基础上，开展冰型显微图像实验，获取结冰微观形貌及形核率：

选取实验模型中间部位的冰相，切片并打磨，采用显微镜获得相应结冰条件下的微结构图像；参照连续形核理论的相关模型，结冰凝固过程的面形核密度可表示为形核过冷度的函数：为了获得动态结冰条件下的n₀和a值，根据不同实验温度下结冰风洞实验获得的冰相，通过显微图像实验可获得相应的晶体数量，通过变换不同过冷度ΔT条件进行多次实验，即可获得不同过冷度条件下的形核密度n，采用线性拟合方法可获得形核密度关系式中的系数n₀和a，从而建立伴随水滴撞击的动态结冰条件下的形核密度与结冰条件之间的关系，以有效克服采用经典模型计算形核密度难以表征水滴撞击结冰条件下异相形核特征的局限。

3、根据实验获得的形核密度关系，提出考虑撞击效应与异相形核的结冰相场模拟模型，建立能够体现动态结冰过程形核特性的相场模拟方法，形成适用于飞机结冰微结构特征预测的相场模拟方法，克服目前结冰特性预测主要为宏观形貌预测的局限。

基于相场法的结冰特性预测模型：

式中，表示相场变量，S为无量纲过冷度，ε为与界面厚度密切相关的参数，m为界面动力学系数，a为与表面能相关的参数。

式中，u为无量纲温度。

ε(θ_i)＝ε₀(1+γcos(kθ_i)) (3)

式中，k表示对称次数，γ为各相异性强度系数，θ_i为界面与某个晶粒的优先生长方向夹角，计算中k值选6。

式中，i表示某个晶粒，表示相场在x和y方向的偏导数。

f(η_i)＝γ_iπ/2，(i＝1,2，…，n) (5)

n代表晶粒个数，由动态结冰条件下的面形核密度关系式(6)确定，γ_i为0到1之间的随机数。动态结冰形核密度关系可表示为：

式中，n₀和a为通过风洞实验及显微图像实验获得的形核常数，ΔT为实验过冷度。

4、在获得形核密度的基础上，由随机函数产生形核位置，变换不同的过冷度条件，并数值联立求解方程(1)、(2)，即可获得不同过冷度条件下的结冰微结构形貌，如图2所示。

Claims (6)

1.一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、通过结冰风洞实验获取结冰宏观形貌；

步骤二、通过冰型显微图像实验获取结冰微观形貌及形核密度；

步骤三、通过相场模拟获取结冰冰型微结构特征。

2.根据权利要求1所述的一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，其特征在于：步骤一所述结冰风洞实验的方法为：在结冰风洞内，固定来流速度、水滴直径及液态水含量，通过变换来流温度来开展实验。

3.根据权利要求2所述的一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，其特征在于：步骤二所述通过冰型显微图像实验获取结冰微观形貌及形核密度的方法为：选取实验模型中间部位的冰相，切片并打磨，采用显微镜获得相应结冰条件下的微结构图像；根据不同实验温度下结冰风洞实验获得的冰相，通过显微图像实验获得相应的晶体数量；通过变换不同过冷度条件进行多次实验，获得不同过冷度条件下的形核密度；采用线性拟合方法获得动态结冰形核密度关系式中的形核常数。

4.根据权利要求3所述的一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，其特征在于：步骤三所述通过相场模拟获取结冰冰型微结构特征的方法为：

第一步、建立基于相场法的结冰特性预测模型：

式中，表示相场变量，S为无量纲过冷度，ε为与界面厚度密切相关的参数，m为界面动力学系数，a为与表面能相关的参数；

式中，u为无量纲温度；

ε(θ_i)＝ε₀(1+γcos(kθ_i)) (3)

式中，k表示对称次数，γ为各相异性强度系数，θ_i为界面与某个晶粒的优先生长方向夹角；

式中，i表示某个晶粒， 表示相场在x和y方向的偏导数；

f(η_i)＝γ_iπ/2，(i＝1,2，…，n) (5)

n代表晶粒个数，γ_i为0到1之间的随机数；

第二步、由随机函数产生形核位置，变换不同的过冷度条件，并数值联立求解方程(1)、(2)，获得不同过冷度条件下的结冰微结构形貌。

5.根据权利要求4所述的一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，其特征在于：k＝6。

6.根据权利要求4所述的一种飞机动态结冰冰型微结构特征预测方法，其特征在于：n由如下动态结冰条件下的面形核密度关系式确定：

<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>a</mi> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，n₀和a为通过风洞实验及显微图像实验获得的形核常数，ΔT为实验过冷度。