[发明专利]一种考虑结冰表面粗糙度的模拟方法及系统

说明书

本发明公开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。

技术领域

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。

发明内容

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 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。

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。