[发明专利]一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法及系统

权利要求书

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，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，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；

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；

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。

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。

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，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；

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；

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。