CN111400826B - 一种任意时刻冰形预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于风洞试验技术领域，公开了一种任意时刻冰形预测方法及系统，所述的方法包含以下步骤：（1）对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到一组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标；（2）计算试验冰形的特征参数；（3）确定特征演化规律；（4）根据冰形特征演化规律和冰形曲线计算结冰过程任意时刻冰形。采用本发明的方法可以预测结冰试验过程中任意时刻冰形，既保留了试验冰形的细节特征，又能快速得到不同时刻的冰形，可以用于评估结冰过程中的气动特性变化，大大提高了试验数据的利用效率。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种任意时刻冰形预测方法及系统。
背景技术
在穿越过冷云层时，飞机表面会发生结冰现象，结冰会导致飞机性能下降，操纵失效，甚至造成飞行事故。为保障飞行安全，在飞机设计过程中需要获得飞机在结冰环境下的结冰形状，评估其对飞机气动性能的危害，并采用一定的办法减弱或消除这种不利影响。
对积冰预测与冰对气动特性影响的研究，一般包括真实结冰气象条件下的飞行试验、结冰数值模拟和结冰风洞试验。真实结冰气象条件下的飞行试验周期长，成本高，仅能获得有限的数据；结冰数值模拟成本低、周期短，可以得到结冰过程的全部信息，但由于计算过程中总是需要对冰形进行光顺等原因，冰形与试验冰形总有一定差异；结冰风洞试验可以随时准确模拟结冰气象环境，得到比较准确的冰形，是飞机设计过程中获得结冰数据的重要来源。
目前，冰风洞试验仍然是获得结冰冰形的重要途径。但在试验过程中无法实时在线测量冰形，每次仅能得到一个结冰时间点下的冰形，无法获得结冰过程中不同时间节点的冰形，也无法评估整个结冰过程中飞机气动特性的变化规律。
发明内容
为解决结冰风洞试验只能得到单一时间点结冰冰形，无法得到结冰过程中冰形信息的问题，本发明提供一种任意时刻冰形预测方法，根据结冰过程中冰形特征演化规律，结合某一时刻结冰风洞试验冰形，建立一套预测其他时刻冰风洞试验冰形的方法。
本发明是这样实现的，一种任意时刻冰形预测方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到一组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标；
（2）计算试验冰形的冰形特征参数；
（3）确定特征演化规律：获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，对冰形特征参数随时间变化规律进行拟合；
（4）结冰过程任意时刻冰形预测；
其中，所述的干净翼型曲线是指未结冰前的翼型曲线，代表结冰后翼型与冰形的分界面；
冰形图片数字化处理一般使用getdata等软件，利用冰形图坐标系，提取曲线各点坐标。提取的原则是保证重构曲线的形状不变形，在曲线变化剧烈处多取点，变化缓慢处适当少取点。
由于曲线是由无限个点组成的，而数字化处理的过程中只能采用有限个点表示由无限个点组成的曲线，这种采用有限个点表示无限个点的方式叫做“离散”。
所述的任意时刻冰形预测包括：
（a）结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征参数在预测时间点比例变化因子ki，i表示不同的特征参数；
（b）将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各点的比例变化因子kj分段插值，得到冰形各点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点；
（c）利用各冰形点比例变化因子对冰形坐标进行调整，得到预测冰形。
进一步地，步骤（2）中，通过观察确定冰形类型，并根据冰形类型计算相应的特征参数。
进一步地，所述的冰形类型包括流线型冰和羊角冰。
进一步地，所述的流线型的冰形特征参数包括结冰最大厚度、结冰上下极限。
进一步地，所述的羊角冰的冰形特征包括上冰角、下冰角、驻点和结冰上下极限。
进一步地，步骤（3）中所述的获取1组不同结冰时刻的冰形特征参数，包括利用结冰软件计算获得，以及试验获得。
另外，本发明还提供一种任意时刻冰形预测系统，包括数字化离散处理模块、特征参数计算模块、特征演化规律计算模块、任意时刻冰形预测模块，其中，
数字化离散化模块用于对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到1组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标；
特征参数计算模块用于计算试验冰形的冰形特征参数；
特征演化规律计算模块用于计算特征演化规律，获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，对冰形特征参数随时间变化规律进行拟合；
任意时刻冰形预测模块用于预测任意时刻的冰形，所述的预测任意时刻冰形包括：
（a）结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征参数在预测时间点的比例变化因子ki，i表示不同的冰形特征参数；
（b）将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各冰形点的比例变化因子kj分段插值，得到各冰形点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点；
（c）利用各冰形点比例变化因子对冰形坐标进行调整，得到预测冰形。
进一步地，特征参数计算模块根据冰形类型计算相应的特征参数。
进一步地，所述的冰形类型包括流线型冰和羊角冰；
进一步地，流线型冰的冰形特征参数包括结冰最大厚度、结冰上下极限；
进步一地，羊角冰的冰形特征参数包括上冰角、下冰角、驻点和结冰上下极限。
进一步地，特征演化规律计算模块获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，包括利用结冰软件计算获得，或者试验获得。
本发明至少具有以下有益效果：
采用本发明的方法可以快速预测结冰试验过程中任意时刻冰形，可以用于评估结冰过程中的气动特性变化，大大提高了试验数据的利用效率；本发明保留了试验冰形的细节特征，提高了预测结果的可信度。
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为本发明的结冰过程中任意时刻冰形预测方法的流程图；
图2为羊角冰示意图；
图3为流线型冰示意图；
图4为羊角冰结冰过程某时刻冰形预测示意图；其中，图4a为试验冰形数字化结果；图4b为冰形厚度特征计算结果；图4c为冰形厚度特征演化结果；图4d为预测冰形重构结果。
图5为流线型冰结冰过程某时刻冰形预测示意图；其中，图5a为试验冰形数字化结果；图5b为冰形厚度特征计算结果；图5c为冰形厚度特征演化结果；图5d为预测冰形重构结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
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1
一种任意时刻冰形预测方法，如图1所述，包含以下步骤：
（1）对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到一组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标；
（2）计算试验冰形特征参数；
其中，干净翼型曲线是指未结冰前的翼型曲线，代表结冰后翼型与冰形的分界面；
冰形图片数字化处理一般使用getdata等软件，利用冰形图坐标系，提取曲线各点坐标。提取的原则是保证重构曲线的形状不变形，在曲线变化剧烈处多取点，变化缓慢处适当少取点。
由于曲线是由无限个点组成的，而数字化处理的过程中只能采用有限个点表示由无限个点组成的曲线，这种采用有限个点表示无限个点的方式叫做“离散”。
通过观察确定冰形是流线型冰或是羊角冰，为冰形特征计算做准备工作；
①流线型冰（如图3）的主要特征参数包括结冰最大厚度和结冰上下极限，采用下述方法得到：
第一步：计算冰形曲线上各点到干净翼型曲线距离，最远点距离即为最大结冰厚度，对应的翼型坐标点即为最大结冰点；
第二步：计算冰形曲线两端对应的翼型点，即为结冰上下极限；
②羊角冰（如图2）的特征主要包括上冰角、下冰角、驻点和结冰上下极限，采用下述方法得到：
第一步：以羊角冰冰角中结冰厚度较小处将冰形曲线分为上下两部分；
第二步：分别计算两部分冰形曲线各点到干净翼型曲线的距离，最远点即为上下冰角点，两冰角点之间距翼型距离最小点即为驻点；
第三步：计算冰形曲线两端对应的翼型点，即为结冰上下极限；
（3）确定特征演化规律：获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，对特征参数随时间变化规律进行拟合；
此时可以利用结冰计算软件计算对应试验状态下冰形，获得1组不同结冰时刻计算冰形；也可以在条件允许的情况下进行试验，采集试验冰形结果。
（4）结冰过程任意时刻冰形预测；
（a）结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征在预测时间点比例变化因子ki，i表示不同的特征参数；
（b）将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各点比例变化因子kj分段插值，得到各冰形点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点；
（c）利用各冰形点比例变化因子对冰形坐标进行调整，得到预测冰形。
实施例2
一种任意时刻冰形预测方法，包含以下步骤：
（1）对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到一组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标，如图4a所示；
（2）计算试验冰形特征参数；
观察图4a的冰形，可以确定该冰形是羊角冰，计算羊角冰的厚度特征参数，如图4b：
第一步：以羊角冰冰角中结冰厚度较小处将冰形曲线分为上下两部分；
第二步：分别计算两部分冰形曲线各点到干净翼型曲线的距离，最远点即为上下冰角点，两冰角点之间距翼型距离最小点即为驻点；
第三步：计算冰形曲线两端对应的翼型点，即为结冰上下极限；
（3）利用结冰计算软件计算对应试验状态下冰形，获得不同结冰时刻计算冰形，对特征参数随时间变化规律进行拟合；
（4）结冰过程任意时刻冰形预测；
（a）结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征在预测时间点比例变化因子ki，i表示不同的特征参数；
（b）将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各点比例变化因子kj分段插值，得到冰形各点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点，如图4c所示；
（c）利用各冰形点比例变化因子对冰形坐标进行调整，得到预测冰形，如图4d所示。
实施例3
一种任意时刻冰形预测方法，包含以下步骤：
（1）对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到一组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标，如图5a所示；
（2）计算试验冰形特征参数；
观察图5a的冰形，可以确定该冰形是羊角冰流线型冰，计算流线型冰的特征参数，如图5b：
第一步：通过计算冰形曲线上各点到干净翼型曲线距离，最远点距离即为最大结冰厚度，对应的翼型坐标点即为最大结冰点；
第二步：计算冰形曲线两端对应的翼型点，即为结冰上下极限；
（3）利用结冰计算软件计算对应试验状态下冰形，获得不同结冰时刻计算冰形，对特征参数随时间变化规律进行拟合；
（4）结冰过程任意时刻冰形预测；
（a）结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征在预测时间点比例变化因子ki，i表示不同的特征参数；
（b）将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各点比例变化因子kj分段插值，得到冰形各点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点，如图5c所示；
（c）利用各冰形点比例变化因子对冰形坐标进行调整，得到预测冰形，如图5d所示。
实施例4
本发明还提供一种任意时刻冰形预测系统，所述的系统包括数字化离散处理模块、特征参数计算模块、特征演化规律计算模块、任意时刻冰形预测模块，其中，
数字化离散化模块用于对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到1组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标；
特征参数计算模块用于计算试验冰形的冰形特征参数；
特征演化规律计算模块用于计算特征演化规律，获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，对冰形特征参数随时间变化规律进行拟合；
任意时刻冰形预测模块用于预测任意时刻的冰形，所述的预测任意时刻冰形包括：
（a）结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征参数在预测时间点的比例变化因子ki，i表示不同的冰形特征参数；
（b）将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各冰形点的比例变化因子kj分段插值，得到冰形各点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点；
（c）利用各冰形点比例变化因子对冰形坐标进行调整，得到预测冰形。
进一步地，特征参数计算模块根据冰形类型计算相应的特征参数。
进一步地，冰形类型包括流线型冰和羊角冰；
流线型冰的冰形特征参数包括结冰最大厚度、结冰上下极限；
所述的羊角冰的冰形特征参数包括上冰角、下冰角、驻点和结冰上下极限。
进一步地，特征演化规律计算模块获取1组不同结冰时刻的冰形特征参数，包括利用结冰软件计算获得，或者试验获得。
采用本发明的方法可以预测结冰试验过程中任意时刻冰形，即保留了试验冰形的细节特征，又能快速得到不同时刻的冰形，可以用于评估结冰过程中的气动特性变化，大大提高了试验数据的利用效率。
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。
Claims (4)
1.一种任意时刻冰形预测方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到一组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标；
(2)计算试验冰形的冰形特征参数；
所述步骤(2)中，观察确定冰形类型，并根据冰形类型计算相应的特征参数；
所述的冰形类型包括流线型冰和羊角冰；
所述的流线型冰的冰形特征参数包括结冰最大厚度、结冰上下极限；
所述的羊角冰的冰形特征参数包括上冰角、下冰角、驻点和结冰上下极限；
(3)确定特征演化规律：获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，对冰形特征参数随时间的变化规律进行拟合；
(4)结冰过程任意时刻冰形预测；
所述的干净翼型曲线是指未结冰前的翼型曲线，代表结冰后翼型与冰形的分界面；所述的任意时刻冰形预测包括：
(a)结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征参数在预测时间点的比例变化因子ki，i表示不同的特征参数；
(b)将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各冰形点的比例变化因子kj分段插值，得到各冰形点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点；
(c)利用各冰形点比例变化因子对冰形曲线坐标进行调整，得到预测冰形。
2.如权利要求1所述的一种任意时刻冰形预测方法，其特征在于，步骤(3)中所述的获得1组不同结冰时刻冰形的冰形特征参数，包括利用结冰软件计算获得，或者试验获得。
3.一种任意时刻冰形预测系统，其特征在于，所述的系统包括数字化离散处理模块、特征参数计算模块、特征演化规律计算模块、任意时刻冰形预测模块，其中，
数字化离散化模块用于对试验冰形图片进行数字化离散处理，得到1组干净翼型曲线坐标和冰形曲线坐标；所述的干净翼型曲线是指未结冰前的翼型曲线，代表结冰后翼型与冰形的分界面；
特征参数计算模块用于计算试验冰形的冰形特征参数；
特征演化规律计算模块用于计算特征演化规律，获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，对冰形特征参数随时间变化规律进行拟合；
任意时刻冰形预测模块用于预测任意时刻的冰形，所述的预测任意时刻冰形包括：
(a)结合冰形特征演化规律和所需预测时间点，确定各冰形特征参数在预测时间点的比例变化因子ki，i表示不同的冰形特征参数；
(b)将冰形曲线按特征点分段，利用特征点变化规律对冰形曲线上各冰形点的比例变化因子kj分段插值，得到各冰形点比例变化因子；其中j表示冰型曲线上各点；
(c)利用各冰形点比例变化因子对冰形坐标进行调整，得到预测冰形；
所述的特征参数计算模块根据冰形类型计算相应的特征参数；
所述的冰形类型包括流线型冰和羊角冰；
所述的流线型冰的冰形特征参数包括结冰最大厚度、结冰上下极限；
所述的羊角冰的冰形特征参数包括上冰角、下冰角、驻点和结冰上下极限。
4.如权利要求3所述的一种任意时刻冰形预测系统，其特征在于，所述的特征演化规律计算模块获得1组不同结冰时刻的冰形特征参数，包括利用结冰软件计算获得，或者试验获得。
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