基于光纤结冰探测的云雾参数计算及冰形预测方法、介质与流程

1.本发明涉及冰形预测技术领域，尤其是涉及一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算及冰形预测方法、介质。


背景技术：

2.结冰物理现象会对航空、航海、风力发电、电力输运等诸多领域产生重要影响，对国民经济建设带来极大威胁。准确地预测不同结冰气象条件下部件的冰形特征，是开展结冰安全评估、覆冰影响分析、防除冰策略制定等多方面的重要前提。目前，已经形成了包括结冰数值计算、结冰风洞试验等一系列手段在内的冰形预测方法。但这些预测方法通常仅针对指定的结冰环境工况(如确定的来流风速、温度、液态水含量、平均水滴直径、结冰时间等)，在实际运行环境中，结冰环境参数通常呈现时间上非定常、空间上非均匀等一系列复杂特征，对当前的结冰预测提出了较大的挑战，现有技术中也出现了基于飞行条件和结冰厚度变化来反推气象参数的方法，如专利cn201811538800.3，但是这种通过数值计算建立数据库，实测时通过插值计算的方法会造成很大的误差，因此，现有技术仍然无法精确地获得实时的云雾参数。
3.另一方面，当前结冰预测重点面向固定部件，针对直升机旋翼、飞机螺旋桨、风力机叶片等旋转部件结冰的结冰预测方法较少，不能高效地进行结冰的预测。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算及冰形预测方法、介质。一方面根据能够实时测得较为准确的试验参数值去反解算得到实时的云雾参数，另一方面，针对当前旋转部件结冰影响因素更多、物理机制复杂、高准确度结冰预测手段欠缺现状，本技术提出了一种基于光纤结冰探测的旋转叶片冰形预测方法，通过有效结合光纤结冰探测与高准确度结冰数值计算方法的优势，实现旋转叶片的动态冰形评估和分析，为多领域内存在的结冰预测需求提供有效的手段。
5.一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.s10.采用光纤结冰传感器探测结冰增长率r
ice
：
[0007][0008]
s20.测定环境温度ts，并根据《运输类飞机适航标准》far 25部附录c的规定拟合得到液态水含量lwc和液滴中值直径mvd的函数关系：
[0009]
lwc＝f0(mvd,ts)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0010]
s30.联立公式(4)(5)计算得到云雾参数，所述云雾参数为液态水含量lwc和液滴中值直径mvd；
[0011][0012]
其中，t是时间，n0为冻结系数，n0(mvd,lwc)表示该冻结系数与mvd和lwc相关，β0为收集系数，β0(mvd)表示该收集系数与mvd相关，ρ
ice
为带孔隙冰密度。
[0013]
进一步地，步骤s10中，采集所述光纤结冰传感器的光功率，并通过下式计算结冰厚度l
ice
：
[0014][0015]
其中，e为自然常数，a1、a2、a3、a4、a5均为测定的常数。
[0016]
进一步地，根据光学仿真计算得到光功率p与冰形孔隙率及冰厚度l
ice
之间的关系曲线：
[0017][0018]
进一步地，计算冰形孔隙率具体如下：
[0019][0020]
其中ρ
air
为空气的密度，ρ
ice,pure
为无孔隙冰密度(可取为917kg/m3)，ρ
ice
为带孔隙冰密度，可用macklin模型计算，如下所示：
[0021][0022][0023]
其中是来流速度v的矢量，ts为环境温度。
[0024]
进一步地，步骤s30中，
[0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]
其中，k0为水滴修正惯性系数、λ/λ
stokes
为液滴的平均阻力比、re
δ
为水滴雷诺数、cd为液滴阻力系数，re
rel
为水滴相对雷诺数，ρa为空气密度，ua为液滴所在位置的当地风速，vd为当前液滴运动速度，μa为空气动力粘度。
[0032][0033][0034][0035][0036]
其中，c
p,ws
为基于液膜表面温度的水的定压比热容、λf为冰的融化潜热、hc为对流换热系数、tf为冰的融化温度、t
st
为环境静温、ts为液膜表面温度、c
p,a
为空气的定压比热容、hg为对流传质系数、p
ww
为液膜表面的水蒸气压力、t
st
为环境静温、p
tot
为气流总压、pw为环境中的水蒸气压力、t
tot
为气流总温、p
st
为气流静压、λv为水蒸气蒸发相变潜热。
[0037]
本发明还提供一种旋转叶片的冰形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0038]
s00.获取来流速度v、环境温度ts及光纤结冰传感器的光功率p；
[0039]
s40.采用如前所述的基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法计算得到实时的结冰云雾参数lwc和mvd；
[0040]
s50.将云雾参数lwc和mvd带入升力线模型，计算旋转叶片展向截面的二维冰形；
[0041]
s60.根据步骤s50获得的二维冰形获得旋转叶片的三维冰形。
[0042]
一种存储介质，存储有执行如前所述的基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法的计算机程序，或存储有执行如前所述的一种旋转叶片的冰形预测方法的计算机程序。
[0043]
采用本发明的一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算及冰形预测方法、介质，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：
[0044]
(1).本发明采用光纤结冰传感器的光功率信号直接带入计算云雾参数，一方面，光纤结冰传感器相较于采用其他类型的传感器，采集效率和精度更高，使得后续计算结果更准确；另一方面，本发明避免了计算结冰厚度的中间步骤，提高了最终对云雾参数的计算精度(一般通过结冰传感器采集信号计算结冰厚度的过程误差率在20％左右)；
[0045]
(2).本发明根据能够实时测得的较为准确的试验参数值(来流速度、环境温度和光纤结冰传感器的光功率)，利用各参数之间的函数关系去反解算得到实时的云雾参数，从而获得实时的较为准确的云雾参数值，从而克服了由于环境参数在时间上非定常、空间上非均匀等一系列复杂特征导致的无法实时预测云雾参数的技术问题；
[0046]
(3).本发明采用反解算获得的实时的云雾参数带入旋转叶片冰形计算模型中，能够高效地获得旋转叶片的结冰情况，不仅能够预测旋转叶片上的冰形，也能够获得旋转叶片上的结冰过程，实现旋转叶片的动态冰形评估和分析。
附图说明
[0047]
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。
[0048]
图1是本发明实施例1的一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法的流程图；
[0049]
图2是本发明实施例2的一种旋转叶片的冰形预测方法的流程图。
具体实施方式
[0050]
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
[0051]
实施例1
[0052]
值得说明的是，本发明为了实现在实际运行环境中实时获得较为准确的云雾参数的目的，设计思路是根据能够实时测得较为准确的试验参数值去反解算得到实时的云雾参数，本发明通过理论计算发现结冰速率与液态水含量、液滴中值直径具有函数关系，并以此为出发点，寻找结冰速率的最优获得方式，由此得到了结冰速率已知，而存在液态水含量和液滴中值直径两个未知参数的方程式。为了解算这个方程获得较准确的云雾参数，在far 25部附录c中可以拟合得到关于液态水含量和液滴中值直径的函数关系，由此得到两个只含有液态水含量、液滴中值直径两个未知数的方程，通过将两个方程联立求解可以解算出液态水含量、液滴中值直径这两个云雾参数，并且是根据环境变化实时计算得到的云雾参数，从而解决了现有技术无法实时预测云雾参数的技术问题。
[0053]
一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0054]
s10.采用光纤结冰探测器获取结冰增长率r
ice
：
[0055][0056]
其中，l
ice
是冰厚，t是时间；
[0057]
本发明采用光纤结冰传感器探测光功率，相较于采用其他类型的传感器，测量精度更高，更有利于提高对环境云雾参数解算的准确性，通过下式计算结冰厚度l
ice
：
[0058][0059]
其中，e为自然常数，a1、a2、a3、a4、a5均为测定的常数。本发明经过大量的计算拟合，发现光纤结冰传感器的光功率与冰形孔隙率及冰厚度l
ice
存在如下关系：
[0060][0061]
当然，本领域技术人员可以理解，在模拟过程中，对设定条件的不同，可能会导致拟合的常数存在细微差别，但是均存在如公式(2)这样的拟合关系。
[0062]
s20.测定环境温度ts，并根据《运输类飞机适航标准》far 25部附录c的规定拟合得到液态水含量lwc和液滴中值直径mvd的函数关系：
[0063]
lwc＝f0(mvd,ts)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0064]
具体地，根据far 25部附录c的规定，飞行器遭遇的结冰气象条件可以使用结冰云雾包线表示。对覆盖范围较广的层云，规定为最大连续结冰包线；对纵向范围较高的积云，规定为最大间断包线，因而，在一确定的环境温度ts的情况下，可以在结冰云雾包线内唯一
确定一条lwc-mvd的关系曲线，通过拟合得到，该方程式是只含液态水含量lwc和液滴中值直径mvd两个未知参数的方程式。
[0065]
s30.联立公式(4)(5)计算得到云雾参数，所述云雾参数为液态水含量lwc和液滴中值直径mvd；
[0066][0067]
其中，t是时间，n0为冻结系数，n0(mvd,lwc)表示该冻结系数与mvd和lwc相关，β0为收集系数，β0(mvd)表示该收集系数与mvd相关。
[0068]
公式(5)是结冰增长率与云雾参数的关系式，收集系数β0可以表示为：
[0069][0070][0071][0072][0073][0074][0075]
其中，k0为水滴修正惯性系数、λ/λ
stokes
为液滴的平均阻力比、re
δ
为水滴雷诺数、cd为液滴阻力系数，re
rel
为水滴相对雷诺数，ρa为空气密度，ua为液滴所在位置的当地风速，vd为当前液滴运动速度，μa为空气动力粘度。
[0076]
冻结系数n0为表示为：
[0077][0078][0079][0080][0081]
其中，c
p,ws
为基于液膜表面温度的水的定压比热容、λf为冰的融化潜热、hc为对流换热系数、tf为冰的融化温度、t
st
为环境静温、ts为液膜表面温度、c
p,a
为空气的定压比热容、hg为对流传质系数、p
ww
为液膜表面的水蒸气压力、t
st
为环境静温、p
tot
为气流总压、pw为环境中的水蒸气压力、t
tot
为气流总温、p
st
为气流静压、λv为水蒸气蒸发相变潜热。
[0082]
进一步地，冰形孔隙率的计算如下：
[0083][0084]
其中ρ
air
为空气的密度，ρ
ice,pure
为无孔隙冰密度(可取为917kg/m3)，ρ
ice
为带孔隙冰密度，可用macklin模型计算，如下所示：
[0085][0086][0087]
其中是来流速度v的矢量，ts为环境温度。本发明中，冰形孔隙率并不需要额外计算出来，而是将其带入到公式(5)中去参与迭代计算，直接计算出云雾参数。
[0088]
值得说明的是，根据本发明的一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法，在实际应用时，提前建立好特定环境温度下lwc和mvd的函数的关系式的数据库，建立好来流速度、环境温度与冰形孔隙率的关系数据库，应用时，通过测定来流速度v和环境温度ts以及光纤结冰传感器的光功率，带入公式(4)和(5)就可以直接计算出lwc和mvd，从而获得比较精确的实时的云雾参数。
[0089]
实施例2
[0090]
本实施例是基于实施例1的一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法获得实时的云雾参数来对旋转叶片的冰形进行预测。
[0091]
一种旋转叶片的冰形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0092]
s00.获取来流速度v、环境温度ts及光纤结冰传感器的光功率p；
[0093]
s40.采用如实施例1所述的基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法计算得到实时的结冰云雾参数lwc和mvd；
[0094]
s50.将云雾参数lwc和mvd带入升力线模型，计算旋转叶片展向截面的二维冰形；
[0095]
s60.根据步骤s50获得的二维冰形获得旋转叶片的三维冰形。
[0096]
步骤s50和步骤s60中的升力线模型及冰形计算方法请参考申请人已经发表的论文“qiang wang,xian yi,yu liu etl,simulation and analysis of wind turbine ice accretion under yaw condition via an improved multi-shot icing computational model,renewable energ 162(2020):1854-1873”，在此不再赘述。
[0097]
本技术通过解算获得实时的云雾参数，并将该云雾参数带入旋转叶片的冰形计算模型中，就可以高效地预测旋转叶片表面的冰形，获得旋转叶片表面冰形的生长过程。
[0098]
实施例3
[0099]
本实施例是一种存储介质，存储有执行如实施例1的一种基于光纤结冰探测的云雾参数计算方法的计算机程序，或存储有执行如实施例2的一种旋转叶片的冰形预测方法的计算机程序。
[0100]
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。