一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法及系统与流程

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。

技术实现要素：

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，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；所述将表面粗糙度进行无量纲化具体为：以粗糙边界的当地流体密度ρ、当地摩擦速度uτ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，其中

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来计算湍动能及其耗散率；

步骤三、计算当地摩擦速度；

步骤四、固定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，包括根据的大小，改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能或湍动能耗散率，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、湍动能或湍动能耗散率加入到整个流场中进行计算，得到当地的摩擦速度；重复步骤一二三直到收敛或达到指定步数。

进一步地，固定及其他改变的参数，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，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；所述将表面粗糙度进行无量纲化具体为：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，其中

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计算湍动能耗散率；

所述计算当地摩擦速度模块用于计算当地摩擦速度；

所述迭代模拟模块用于固定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naca65a413为例，其中naca65a413翼型带粗糙冰构型气动力数值模拟的技术参数如下：

naca65a413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，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；所述将表面粗糙度进行无量纲化具体为：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，其中

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，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；

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，其中

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来计算湍动能及其耗散率；

步骤三s103、计算当地摩擦速度；

步骤四s104、固定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，根据的大小，相应地改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能或湍动能耗散率，d=网格点到边界的实际最小距离+0.03，湍动能和湍动能耗散率均为的函数。

将改变后的壁面距离d、湍动能或湍动能耗散率加入到整个流场的中迭代中计算，得到当地的摩擦速度；重复步骤一二三迭代20步，获得新的。

停止步骤一二三的迭代，以得到新的为固定参数，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，包括根据的大小，改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能或湍动能耗散率，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、湍动能或湍动能耗散率加入到整个流场中进行计算，得到当地的摩擦速度；重复步骤一二三直到收敛或达到指定步数。

优选地，固定及其他改变的参数，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，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；所述将表面粗糙度进行无量纲化具体为：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，其中

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来计算湍动能及其耗散率；

所述计算当地摩擦速度模块203用于计算当地摩擦速度；

所述迭代模拟模块204用于固定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，包括根据的大小，改变湍流模型中的壁面距离d、湍动能或湍动能耗散率，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、湍动能或湍动能耗散率加入到整个流场中进行计算，得到当地的摩擦速度；重复步骤一二三直到收敛或达到指定步数。

优选地，固定及其他改变的参数，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。