一种高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法

本发明涉及冰形预测，特别涉及一种高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法。

背景技术：

1、飞机结冰问题一直是飞行安全的最大威胁之一。20世纪90年开始，大量商用航空发动机在超过7000米高空发生了失效的事故，人们普遍认为在这一高度过冷水滴不再存在，而是以冰粒子的形式呈现，这些发动机失效的原因是冰晶结冰。发动机发生结冰现象后，推力会在短时间内下降，有时还会引起发动机喘振，发动机机械损坏等严重影响，冰晶以及脱落的积冰进入发动机燃烧室，则可能引发熄火等后果。

2、冰晶结冰的数值模拟主要包括冰晶粒子运动相变和结冰热力学模型两个方面。现有的研究均采用时间单步法计算结冰，先计算冰晶粒子运动相变，然后在未积冰表面计算结冰热力学模型，这样则未考虑积冰对后续粒子撞击以及结冰热力学、冰晶黏附和侵蚀的影响，与实际结冰过程具有较大的区别。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，以解决高空中融化主导式积冰过程中产生的稳定冰形的预测问题。基于messinger模型建立冰晶结冰模型和计算方法，通过时间多步法实现了非稳态积冰增长过程的模拟，得到了最终不随时间变化的稳定冰形。

2、为了达到上述目的，本发明提供一种高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，其采用的技术方案如下：

3、一种高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，包括以下步骤：

4、s1、计算空气流场；

5、s2、基于所述空气流场，计算冰晶运动轨迹；

6、s3、计算冰晶黏附量，求解结冰热力学平衡方程，计算冰晶侵蚀量，得到积冰表面实际积冰速率；

7、s4、基于所述积冰表面实际积冰速率，计算冰形增长，利用动网格技术更新积冰边界和计算域网格；

8、s5、根据当前计算时间判断是否达到积冰时间，若是，则以当前计算时间的冰形作为最终冰形，若否，则执行步骤s1-s4。

9、进一步地，所述步骤s1具体包括：

10、高空融化主导式冰晶结冰气象条件，采用计算流体力学方法求解navier-stokes方程，获得环境流场分布，得到物理量的分布，所述物理量包括空气的压力、速度、温度以及切应力中的一种及其组合。

11、进一步地，所述步骤s2具体包括：

12、采用两相欧拉方法，在空气流场的基础上，求解冰晶粒子运动的欧拉控制方程，得到粒子的运动撞击特性；在结冰气象条件下，空气相是载体相，冰晶相是离散相。

13、进一步地，所述步骤s3具体包括：

14、根据黏附模型计算冰晶黏附量；

15、根据结冰表面的传热传质过程，建立结冰热力学模型，求解表面质量、动量守恒方程；

16、根据侵蚀模型计算出表面积冰和溢流水的侵蚀量，得到积冰表面实际积冰速率。

17、进一步地，所述步骤s4具体包括：

18、根据积冰表面实际积冰速率，求解对应时间步长的冰形增长量，用动网格方法更新冰形得到新的计算节点的位置。

19、本发明的有益效果是：

20、1)本发明能模拟结冰冰形的非稳态变化过程；

21、2)本发明能够实现高空融化主导式积冰条件下的稳定冰形的预测。

技术特征：

1.一种高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：

3.根据权利要求1所述的高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：

4.根据权利要求1所述的高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括：

5.根据权利要求1所述的高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括：

技术总结
本发明属于冰形预测技术领域，具体公开一种高空冰晶结冰过程的稳定冰形的多步预测方法，包括以下步骤：S1、计算空气流场；S2、基于所述空气流场，计算冰晶运动轨迹；S3、计算冰晶黏附量，求解结冰热力学平衡方程，计算冰晶侵蚀量，得到积冰表面实际积冰速率；S4、基于所述积冰表面实际积冰速率，计算冰形增长，利用动网格技术更新积冰边界和计算域网格；S5、根据当前计算时间判断是否达到积冰时间，若是，则以当前计算时间的冰形作为最终冰形，若否，则执行步骤S1‑S4。本发明不仅能模拟结冰冰形的非稳态变化过程；而且还能够实现高空融化主导式积冰条件下的稳定冰形的预测。

技术研发人员：卜雪琴,黄平,林贵平,郁嘉
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11