CN109657275B - 一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法及系统 - Google Patents

一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法，包括计算等效砂粒粗糙高度以及粗糙度表面及附近网格划分和边界条件设置，对表面粗糙度进行无量纲化，改变对应空间点到粗糙表面的壁面距离和湍动能及其耗散率进行数值迭代至收敛，以此完成结冰表面粗糙度的气动特性值模拟。该方法结合两种结冰表面等效砂粒粗糙高度的经验计算方法，成功地解决了从真实粗糙高度到等效砂粒粗糙高度，或未知粗糙度需要评估结冰后粗糙效应等工程实际问题。从二维到三维，建立结冰表面粗糙度数值模拟方法，弥补了现阶段其他方法计算效率低，可信度差等缺陷。

Description

一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法及系统
技术领域
本发明属于航空气动力数值模拟技术领域，具体涉及一种考虑结冰表面粗糙度的数值模拟方法及系统。
背景技术
粗糙度是飞机结冰表面的一个重要特征，一般在机翼或平尾前缘形成较多，表现为非人为控制的不规则大小和分布，高度通常在毫米量级。结冰表面粗糙度是飞机结冰安全评估研究中的重要内容，因为粗糙度的存在可能导致层流提前发生转捩，增大摩擦阻力减小飞机续航能力，甚至导致翼面提前分离，降低最大升力或者导致非对称滚转，严重影响飞机的气动特性。
结冰表面粗糙度还是结冰数值模拟研究中的核心内容。飞机表面的流动和换热特性决定了最终冰形的大小、形状和类型。粗糙度会影响到表面转捩、表面摩擦力和对流换热，增大表面粗糙度的大小会增大表面对流换热。在结冰数值模拟中，不同的表面粗糙度大小会使计算得到的冰形发生剧烈的改变，精确计算表面粗糙度及其附近的流动特征非常重要。因此，考虑结冰表面粗糙度的模拟方法研究既是飞机结冰安全评估的需求，也是结冰数值模拟的核心内容，是一项非常重要的基础研究课题。
对于考虑表面粗糙度的气动特性计算，国内外都给予了非常多的关注。应用较为普遍的有经验公式法，壁面函数法、坐标变换法、湍流模型修正法等。经验公式法过于粗糙，不适用现在计算对精准度的需求；壁面函数法适用范围受限；坐标变换法，因其网格量大且复杂模型处理非常复杂，并不适用于常规工程计算；湍流模型修正法方法多样，且实际使用较为困难，应用于结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟需要更细致的研究。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是为了解决现阶段的工程实用方法无法准确模拟结冰表面粗糙度气动特性影响的问题，提供一套完整且工程实用的考虑结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟方法。
本发明采用如下方法来实现：一种结冰表面粗糙度的模拟方法，包括：
步骤一、计算等效砂粒高度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分并设置边界条件，并将表面粗糙度进行无量纲化
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；所述将表面粗糙度进行无量纲化
Figure 257682DEST_PATH_IMAGE004
具体为：以粗糙边界的当地流体密度ρ、当地摩擦速度u τ 和当地运动粘性μ作为参考量，将粗糙边界中的等效砂粒粗糙高度无量纲化，计算得到粗糙雷诺数
Figure 427894DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
步骤二、根据表面粗糙度及其与之范围内的流场，改变壁面距离d来计算湍动能
Figure DEST_PATH_IMAGE008
及其耗散率
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤三、计算当地摩擦速度
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤四、固定
Figure 634969DEST_PATH_IMAGE004
进行数值迭代至收敛，完成结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟。
进一步地，所述计算等效砂粒高度
Figure 721874DEST_PATH_IMAGE002
的方法包括：判定输入参数是否为模拟气象参数或真实气象参数，若是模拟气象参数，则将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度；若是真实气象参数，则将真实气象参数中所包含的冰形参数划分为若干个粗糙区域，并统计分析冰形的结冰表面粗糙度特征值，结合特征参数组转换为等效砂粒粗糙高度。
进一步地，所述将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度具体为：结合来流速度、液态水含量、环境温度、平均水滴直径结冰的相关气象条件和飞行条件进行转换；所述特征参数组包括平均高度、粗糙单元数量、粗糙单元外形和粗糙单元间距。
进一步地，所述将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分的方法包括：判断是否为边界表面，若是则网格划分尺度使用RANS方法进行划分的网格尺度；若是冰形或带有不同表面粗糙度的区域的粗糙边界，则粗糙边界上的第一层网格高度需要根据不用的数值方法作出调整。
进一步地，包括根据
Figure 24942DEST_PATH_IMAGE004
的大小，改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能
Figure 56351DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 696543DEST_PATH_IMAGE010
，进而改变边界附近的涡粘性，模拟粗糙度带来的能量耗散。
进一步地，将改变后的壁面距离d、湍动能
Figure 28167DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 610458DEST_PATH_IMAGE010
加入到整个流场中进行计算，得到当地的摩擦速度
Figure 630629DEST_PATH_IMAGE012
；重复步骤一二三直到
Figure 713991DEST_PATH_IMAGE004
收敛或达到指定步数。
进一步地，固定
Figure 260641DEST_PATH_IMAGE004
及其他改变的参数，继续进行流场的迭代求解，收敛后提取流场数据得到结冰表面粗糙度的气动特性，完成数值模拟。
本发明可以采用如下系统来实现：一种考虑结冰表面粗糙度的模拟系统，包括计算砂粒高度模块、计算湍动能模块、计算当地摩擦速度模块以及迭代模拟模块；
所述计算砂粒高度模块用于计算等效砂粒高度
Figure 138467DEST_PATH_IMAGE002
，将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分并设置边界条件，并将表面粗糙度进行无量纲化
Figure 911514DEST_PATH_IMAGE004
；所述将表面粗糙度进行无量纲化
Figure 673933DEST_PATH_IMAGE004
具体为：以粗糙边界的当地流体密度、当地摩擦速度和当地运动粘性作为参考量，将粗糙边界中的等效砂粒粗糙高度无量纲化，计算得到粗糙雷诺数
Figure 714570DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
所述计算湍动能模块用于根据壁面距离d、表面粗糙度及其与之范围内的流场湍动能
Figure 608971DEST_PATH_IMAGE008
计算湍动能耗散率
Figure 102269DEST_PATH_IMAGE010
；
所述计算当地摩擦速度模块用于计算当地摩擦速度
Figure 137221DEST_PATH_IMAGE012
；
所述迭代模拟模块用于固定
Figure 799409DEST_PATH_IMAGE004
进行数值迭代至收敛，完成结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟。
综上所述，本发明提供了一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法，包括计算等效砂粒粗糙高度以及粗糙度表面及附近网格划分和边界条件设置，对表面粗糙度进行无量纲化，改变对应空间点到粗糙表面的壁面距离和湍动能及其耗散率进行数值迭代至收敛，以此完成结冰表面粗糙度的气动特性值模拟。
有益效果为：结合两种结冰表面等效砂粒粗糙高度的经验计算方法，成功地解决了从真实粗糙高度到等效砂粒粗糙高度，或未知粗糙度需要评估结冰后粗糙效应等工程实际问题。从二维到三维，建立结冰表面粗糙度数值模拟方法，弥补了现阶段其他方法计算效率低，可信度差等缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明提供的一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法流程图；
图2为本发明提供的一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法实施例图；
图3为本发明提供的一种考虑结冰表面粗糙度的模拟系统实施例图。
具体实施方式
本发明给出了一种一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法及系统实施例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明中技术方案作进一步详细的说明：
本发明首先提供了一种结冰表面粗糙度的模拟方法实施例，如图1所示，包括：以NACA 65A413为例，其中NACA 65A413翼型带粗糙冰构型气动力数值模拟的技术参数如下：
NACA 65A413翼型弦长为0.1524m，展长为0.1524m，翼型厚度t/c=13%。试验时将金刚砂均匀喷洒并使用粘合剂粘合在翼型前缘3%弦长位置之前的上翼面和下翼面。金刚砂平均尺寸在0.015英寸（0.381mm），试验所测得的金刚砂分布为每平方英寸250个粗糙单元，换算得到每两个金刚砂单元之间的平均距离约为0.6225mm。
步骤一S101、计算等效砂粒高度
Figure 19037DEST_PATH_IMAGE002
，将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分并设置边界条件，并将表面粗糙度进行无量纲化
Figure 297834DEST_PATH_IMAGE004
；所述将表面粗糙度进行无量纲化
Figure 526690DEST_PATH_IMAGE004
具体为：以粗糙边界的当地流体密度、当地摩擦速度和当地运动粘性作为参考量，将粗糙边界中的等效砂粒粗糙高度无量纲化，计算得到粗糙雷诺数
Figure 777805DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
其中，使用等效砂粒粗糙高度计算经验公式可得等效砂粒粗糙高度
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，粗糙度表面及附近网格划分，将表面网格在前缘3%位置处分割成两块边界，分别设置相应的边界条件，第一层网格高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
以粗糙边界的当地流体密度、当地摩擦速度和当地运动粘性作为参考量，将粗糙边界中的等效砂粒粗糙高度无量纲化，计算得到粗糙雷诺数
Figure 584046DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
步骤二S102、根据表面粗糙度及其与之范围内的流场，改变壁面距离d来计算湍动能
Figure 396144DEST_PATH_IMAGE008
及其耗散率
Figure 664577DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤三S103、计算当地摩擦速度
Figure 144099DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤四S104、固定
Figure 659526DEST_PATH_IMAGE004
进行数值迭代至收敛，完成结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟。
其中，根据
Figure 614712DEST_PATH_IMAGE004
的大小，相应地改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能
Figure 217994DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 942236DEST_PATH_IMAGE010
，d=网格点到边界的实际最小距离+0.03
Figure 441613DEST_PATH_IMAGE002
，湍动能
Figure 149675DEST_PATH_IMAGE008
和湍动能耗散率
Figure 133811DEST_PATH_IMAGE010
均为
Figure 479604DEST_PATH_IMAGE002
的函数。
将改变后的壁面距离d、湍动能
Figure 913997DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 345240DEST_PATH_IMAGE010
加入到整个流场的中迭代中计算，得到当地的摩擦速度
Figure 116756DEST_PATH_IMAGE012
；重复步骤一二三迭代20步，获得新的
Figure 989160DEST_PATH_IMAGE004
。
停止步骤一二三的迭代，以得到新的
Figure 125612DEST_PATH_IMAGE004
为固定参数，继续流场的迭代，直至收敛后提取流场数据，即完成考虑结冰表面粗糙度的气动力数值模拟。
优选地，所述计算等效砂粒高度
Figure 44151DEST_PATH_IMAGE002
的方法包括：判定输入参数是否为模拟气象参数或真实气象参数，若是模拟气象参数，则将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度；若是真实气象参数，则将真实气象参数中所包含的冰形参数划分为若干个粗糙区域，并统计分析冰形的结冰表面粗糙度特征值，结合特征参数组转换为等效砂粒粗糙高度。
优选地，所述将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度具体为：结合来流速度、液态水含量、环境温度、平均水滴直径结冰的相关气象条件和飞行条件进行转换；所述结合特征参数组包括平均高度、粗糙单元数量、粗糙单元外形和粗糙单元间距。
优选地，所述将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分的方法包括：判断是否为边界表面，若是则网格划分尺度使用RANS方法进行划分的网格尺度；若是冰形或带有不同表面粗糙度的区域的粗糙边界，则粗糙边界上的第一层网格高度需要根据不用的数值方法作出调整。
优选地，包括根据
Figure 760303DEST_PATH_IMAGE004
的大小，改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能
Figure 815109DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 591304DEST_PATH_IMAGE010
，进而改变边界附近的涡粘性，模拟粗糙度带来的能量耗散。
优选地，将改变后的壁面距离d、湍动能
Figure 997140DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 376038DEST_PATH_IMAGE010
加入到整个流场中进行计算，得到当地的摩擦速度
Figure 19771DEST_PATH_IMAGE012
；重复步骤一二三直到
Figure 966867DEST_PATH_IMAGE004
收敛或达到指定步数。
优选地，固定
Figure 702742DEST_PATH_IMAGE004
及其他改变的参数，继续进行流场的迭代求解，收敛后提取流场数据得到结冰表面粗糙度的气动特性，完成数值模拟。
本发明还提供了一种一种结冰表面粗糙度的模拟系统实施例，如图3所示，包括：一种考虑结冰表面粗糙度的模拟系统，包括计算砂粒高度模块201、计算湍动能模块202、计算当地摩擦速度模块203以及迭代模拟模块204；
所述计算砂粒高度模块201用于计算等效砂粒高度
Figure 996583DEST_PATH_IMAGE002
，将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分并设置边界条件，并将表面粗糙度进行无量纲化
Figure 383570DEST_PATH_IMAGE004
；所述将表面粗糙度进行无量纲化
Figure 737454DEST_PATH_IMAGE004
具体为：以粗糙边界的当地流体密度、当地摩擦速度和当地运动粘性作为参考量，将粗糙边界中的等效砂粒粗糙高度无量纲化，计算得到粗糙雷诺数
Figure 960625DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
所述计算湍动能模块202用于根据表面粗糙度及其与之范围内的流场，改变壁面距离d来计算湍动能
Figure 635319DEST_PATH_IMAGE008
及其耗散率
Figure 277082DEST_PATH_IMAGE010
；
所述计算当地摩擦速度模块203用于计算当地摩擦速度
Figure 175768DEST_PATH_IMAGE012
；
所述迭代模拟模块204用于固定
Figure 10869DEST_PATH_IMAGE004
进行数值迭代至收敛，完成结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟。
优选地，所述计算等效砂粒高度
Figure 646512DEST_PATH_IMAGE002
的方法包括：判定输入参数是否为模拟气象参数或真实气象参数，若是模拟气象参数，则将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度；若是真实气象参数，则将真实气象参数中所包含的冰形参数划分为若干个粗糙区域，并统计分析冰形的结冰表面粗糙度特征值，结合特征参数组转换为等效砂粒粗糙高度。
优选地，所述将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度具体为：结合来流速度、液态水含量、环境温度、平均水滴直径结冰的相关气象条件和飞行条件进行转换；所述结合特征参数组包括平均高度、粗糙单元数量、粗糙单元外形和粗糙单元间距。
优选地，所述将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分的方法包括：判断是否为边界表面，若是则网格划分尺度使用RANS方法进行划分的网格尺度；若是冰形或带有不同表面粗糙度的区域的粗糙边界，则粗糙边界上的第一层网格高度需要根据不用的数值方法作出调整。
优选地，包括根据
Figure 273671DEST_PATH_IMAGE004
的大小，改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能
Figure 703778DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 901541DEST_PATH_IMAGE010
，进而改变边界附近的涡粘性，模拟粗糙度带来的能量耗散。
优选地，将改变后的壁面距离d、湍动能
Figure 839410DEST_PATH_IMAGE008
或湍动能耗散率
Figure 432328DEST_PATH_IMAGE010
加入到整个流场中进行计算，得到当地的摩擦速度
Figure 922084DEST_PATH_IMAGE012
；重复步骤一二三直到
Figure 498821DEST_PATH_IMAGE004
收敛或达到指定步数。
优选地，固定
Figure 974802DEST_PATH_IMAGE004
及其他改变的参数，继续进行流场的迭代求解，收敛后提取流场数据得到结冰表面粗糙度的气动特性，完成数值模拟。
综上，本发明提供了一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法，包括计算等效砂粒粗糙高度以及粗糙度表面及附近网格划分和边界条件设置，对表面粗糙度进行无量纲化，改变对应空间点到粗糙表面的壁面距离和湍动能及其耗散率进行数值迭代至收敛，以此完成结冰表面粗糙度的气动特性值模拟。该方法结合两种结冰表面等效砂粒粗糙高度的经验计算方法，成功地解决了从真实粗糙高度到等效砂粒粗糙高度，或未知粗糙度需要评估结冰后粗糙效应等工程实际问题。从二维到三维，建立结冰表面粗糙度数值模拟方法，弥补了现阶段其他方法计算效率低，可信度差等缺陷。
以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法，其特征在于，包括：
步骤一、计算等效砂粒高度
Figure QLYQS_1
，将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分并设置边界条件，并将表面粗糙度进行无量纲化
Figure QLYQS_2
；所述将表面粗糙度进行无量纲化
Figure QLYQS_3
具体为：以粗糙边界的当地流体密度ρ、当地摩擦速度u τ 和当地运动粘性μ作为参考量，将粗糙边界中的等效砂粒粗糙高度无量纲化，计算得到粗糙雷诺数
Figure QLYQS_4
，其中
Figure QLYQS_5
步骤二、根据表面粗糙度及其与之范围内的流场，改变壁面距离d来计算湍动能
Figure QLYQS_6
及其耗散率
Figure QLYQS_7
；
步骤三、计算当地摩擦速度
Figure QLYQS_8
；
步骤四、固定
Figure QLYQS_9
进行数值迭代至收敛，完成结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟；
所述计算等效砂粒高度
Figure QLYQS_10
的方法包括：判定输入参数是否为模拟气象参数或真实气象参数，若是模拟气象参数，则将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度；若是真实气象参数，则将真实气象参数中所包含的冰形参数划分为若干个粗糙区域，并统计分析冰形的结冰表面粗糙度特征值，结合特征参数组转换为等效砂粒粗糙高度；
所述将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分的方法包括：判断是否为边界表面，若是则网格划分尺度使用RANS方法进行划分的网格尺度；若是冰形或带有不同表面粗糙度的区域的粗糙边界，则粗糙边界上的第一层网格高度需要使用RANS方法推荐的数值以达到最佳的模拟效果，即y+在0.2～1之间；
所述将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度具体为：结合来流速度、液态水含量、环境温度、平均水滴直径结冰的相关气象条件和飞行条件进行转换；所述特征参数组包括平均高度、粗糙单元数量、粗糙单元外形和粗糙单元间距。
2.如权利要求1所述的考虑结冰表面粗糙度的模拟方法，其特征在于：根据
Figure QLYQS_11
的大小，改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能
Figure QLYQS_12
或湍动能耗散率
Figure QLYQS_13
，进而改变边界附近的涡粘性，模拟粗糙度带来的能量耗散。
3.如权利要求2所述的考虑结冰表面粗糙度的模拟方法，其特征在于：将改变后的壁面距离d、湍动能
Figure QLYQS_14
或湍动能耗散率
Figure QLYQS_15
加入到整个流场中进行计算，得到当地的摩擦速度
Figure QLYQS_16
；重复步骤一二三直到
Figure QLYQS_17
收敛或达到指定步数。
4.如权利要求3所述的考虑结冰表面粗糙度的模拟方法，其特征在于：固定
Figure QLYQS_18
及其他改变的参数，继续进行流场的迭代求解，收敛后提取流场数据得到结冰表面粗糙度的气动特性，完成数值模拟。
5. 一种考虑结冰表面粗糙度的模拟系统，其特征在于，包括计算砂粒高度模块、计算湍动能模块、计算当地摩擦速度模块以及迭代模拟模块；
所述计算砂粒高度模块用于计算等效砂粒高度
Figure QLYQS_19
，将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分并设置边界条件，并将表面粗糙度进行无量纲化
Figure QLYQS_20
；所述将表面粗糙度进行无量纲化
Figure QLYQS_21
具体为：以粗糙边界的当地流体密度、当地摩擦速度和当地运动粘性作为参考量，将粗糙边界中的等效砂粒粗糙高度无量纲化，计算得到粗糙雷诺数
Figure QLYQS_22
，其中
Figure QLYQS_23
所述计算湍动能模块用于根据表面粗糙度及其与之范围内的流场，改变壁面距离d来计算湍动能
Figure QLYQS_24
及其耗散率
Figure QLYQS_25
；
所述计算当地摩擦速度模块用于计算当地摩擦速度
Figure QLYQS_26
；
所述迭代模拟模块用于固定
Figure QLYQS_27
进行数值迭代至收敛，完成结冰表面粗糙度的气动特性数值模拟；
计算等效砂粒高度
Figure QLYQS_28
的方法包括：判定输入参数是否为模拟气象参数或真实气象参数，若是模拟气象参数，则将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度；若是真实气象参数，则将真实气象参数中所包含的冰形参数划分为若干个粗糙区域，并统计分析冰形的结冰表面粗糙度特征值，结合特征参数组转换为等效砂粒粗糙高度；
将粗糙度表面以及阈值范围内距离的网格进行划分的方法包括：判断是否为边界表面，若是则网格划分尺度使用RANS方法进行划分的网格尺度；若是冰形或带有不同表面粗糙度的区域的粗糙边界，则粗糙边界上的第一层网格高度需要使用RANS方法推荐的数值以达到最佳的模拟效果，即y+在0.2～1之间；
所述将模拟气象参数转换为等效砂粒粗糙高度具体为：结合来流速度、液态水含量、环境温度、平均水滴直径结冰的相关气象条件和飞行条件进行转换；所述特征参数组包括平均高度、粗糙单元数量、粗糙单元外形和粗糙单元间距。
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