一种基于数值模拟的结冰风洞试验相似转换方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数值模拟的结冰风洞试验相似转换方法，该方法通过相似准数，计算出试验所需的参数，若参数超出结冰风洞能力包线范围，则对参数进行调整，使得参数满足结冰风洞能力包线范围；并通过CFD软件对转换前后的状态进行模拟计算，对比转换前后的冰型计算结果，用以评估转换结果是否满足要求；若计算结果对比显示转换前后冰型差距较大，应重新选取参数。通过此方法可以实现在现有结冰风洞能力包线的范围内得到准确的模拟和实验结果，降低对结冰风洞的性能要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟的结冰风洞试验相似转换方法
本申请涉及数值模拟领域，具体而言，涉及一种结冰风洞实验的数值模拟。
技术介绍
结冰风洞试验是评估飞机安全性能的重要手段，通过试验的方法可以获得飞机结冰对飞行性能的影响，或考核飞行器的防除冰系统性能。对于较大的飞行器或部件模型，目前世界上主要的结冰风洞均无法进行全尺寸试验，因此需要对模型进行缩比。为了使缩比模型的结冰风洞试验获得和原始尺寸几何相似的冰型，需要对试验条件进行相似转换。相似转换方法是一种对缩比模型为对象实施的分析方法，通过一系列相似准则数对试验状态参数进行计算，并得到尽可能接近原定目标状态的试验结果。常见的相似转换方法有Ruff方法，ONERA方法，Olsen方法等。各类转换方法都或多或少的保证了若干种相似准则数相等，一般认为满足相等的相似准则数越多越接近目标状态。其中Ruff方法可以至少保证五个相似准则数相等，且在NASA的IRT风洞进行了大量试验验证，结果显示Ruff方法在多数时候能够得到更接近原定目标状态。Ruff方法主张使用前缘直径韦伯数WeL作为转换状态的风速依据，使用相对热系数水滴能量传递势作为转换状态的温度依据。然而使用Ruff方法具有很多限制，使用WeL作为速度选择依据则必然导致转换后速度增加：速度越高，结冰风洞的云雾场越不均匀；同时MVD会下降，甚至超过结冰风洞的能力范围。
技术实现思路
本申请的目的在于提供一种新的相似转换方法，以提高相似转换的实用性。本申请是采用以下技术方案实现的：一种基于数值模拟的结冰风洞试验相似转换方法，包括以下步骤：（1）通过相似准数，计算模型结冰的实验条件下的风速Vs及和水滴中值直径δs；（2）检查Vs及δs是否在结冰风洞能力包线范围内；若其超过所述结冰风洞能力包线，对Vs及δs进行调整以符合结冰风洞能力包线范围；符合结冰风洞能力包线范围后进入下一步骤；（3）计算模型结冰的实验条件下的气流静温Tst,S及液态水含量LWC；（4）检查Tst,S及LWC是否在结冰风洞能力包线范围内；若其超过结冰风洞能力包线，对Tst,S及LWC进行调整以符合结冰风洞能力包线范围；符合结冰风洞能力包线范围后进入下一步骤；（5）计算模型结冰的实验条件下的结冰时间τs；（6）使用CFD软件对转换前后的状态进行模拟计算，对比转换前后的冰型计算结果，用以评估转换结果是否满足要求；若计算结果对比显示转换前后冰型相似程度小于90%，应重新选取参数。所述步骤（1）中，所述Vs通过相似准数WeL确定，WeL的定义如下：，通过(WeL)s=(WeL)r，计算出Vs，其中，ρw为液滴密度，L为特征尺寸，V为水滴撞击速度，σwa为水滴的表面张力系数，s为模型结冰的实验条件，r为全尺寸物体的参考结冰条件。所述步骤（1）中，所述δs通过相似准数K0确定，K0的定义如下：，通过(K0)s=(K0)r计算出δs，其中，Rα为空气的气体常数，δ为水滴平均容积直径，T为绝对温度，μα为空气的粘度系数；P为压力；d为圆柱直径或机翼前缘半径的2倍；kl和k为常量。所述步骤（2）中，若Vs及δs超过结冰风洞能力包线，选择以下两种方法之一进行尝试：a.指定任意风洞能力包线内的风速并计算δs；b.对相似准则数K0引入容差，调整风速或δs至结冰风洞能力包线范围内。所述步骤（3）中，所述Tst,S通过水滴能量传递势来确定，的定义如下：，通过计算出Tst,S，其中，tf为水冻结点温度，tst为气流静温；cp,ws为结冰表面水的比热容。所述步骤（3）中，所述LWC通过转换前后的冻结系数n0来确定，n0的定义如下：，通过(n0)s=(n0)r计算出LWC，其中，Λf为水的冻结潜热，θ为气流能量转换参数；b为相对热系数。所述步骤（4）中，若Tst,S及LWC超过结冰风洞能力包线，采用Olsen方法，选取Tst,S，并再次求解LWC，直到满足结冰风洞能力包线范围。所述步骤（5）中，所述τs通过转换前后的积聚系数Ac来确定，Ac的定义如下：，其中，ρi为冰密度，通过Acr=Acs计算出τs。本专利技术通过对相似准数引入容差以获得更宽的转换范围，并使用数值模拟手段评估转换前后的冰型差异，再以此为依据优化和调整相似转换结果，可以实现在现有结冰风洞能力包线的范围内得到准确的模拟和实验结果，降低对结冰风洞的性能要求。其次，本专利技术在参数调整时引入了具体的容差公式，通过该容差公式，提高了参数调整的便利性和可用性。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图也属于本申请的保护范围。图1为本专利技术的相似转换方法流程图；图2为-关系曲线图；图3为实施例转换状态CFD结果验证图；图4为角冰特征图。具体实施方式为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。下文所列参数下标中，s为模型结冰的实验条件，r为全尺寸物体的参考结冰条件。以某弦长3.8m的某机翼为例，由于尺寸限制，机翼结冰试验需要使用缩比模型进行，模型缩比为1:2，参考工况如表1所示。表1参考状态试验试验参数Tst,S(℃)MVD(μm)LWC(g/m³)H(m)V(m/s)chord(m)Time（Sec)参考状态-7300.26830001103.81350对上述状态使用基于数值模拟的结冰风洞试验相似转换方法，如图1所示，包括以下步骤：（1）通过相似准数，计算模型结冰的实验条件下的风速Vs及和水滴中值直径δs；Vs通过相似准数WeL确定，WeL的定义如下：，已知(WeL)r=2.178e+7，通过(WeL)s=(WeL)r，计算出Vs=155.56m/s。其中，ρw为液滴密度，L为特征尺寸，V为水滴撞击速度，σwa为水滴的表面张力系数，s为模型结冰的实验条件，r为全尺寸物体的参考结冰条件。δs通过相似准数K0确定，K0的定义如下：，通过(K0)s=(K0)r计算出当Vs=155.56m/s时，δs=16.8μm。其中，Rα为空气的气体常数，δ为水滴平均容积直径，T为绝对温度，μα为空气的粘度系数；P为压力；d为圆柱直径或机翼前缘半径的2倍；kl和k为常量。（2）检查Vs及δs是否在结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数值模拟的结冰风洞试验相似转换方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）通过相似准数，计算模型结冰的实验条件下的风速

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟的结冰风洞试验相似转换方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）通过相似准数，计算模型结冰的实验条件下的风速Vs及和水滴中值直径δs；（2）检查Vs及δs是否在结冰风洞能力包线范围内；若其超过所述结冰风洞能力包线，对Vs及δs进行调整以符合结冰风洞能力包线范围；符合结冰风洞能力包线范围后进入下一步骤；（3）计算模型结冰的实验条件下的气流静温Tst,S及液态水含量LWC；（4）检查Tst,S及LWC是否在结冰风洞能力包线范围内；若其超过结冰风洞能力包线，对Tst,S及LWC进行调整以符合结冰风洞能力包线范围；符合结冰风洞能力包线范围后进入下一步骤；（5）计算模型结冰的实验条件下的结冰时间τs；（6）使用CFD软件对转换前后的状态进行模拟计算，对比转换前后的冰型计算结果，用以评估转换结果是否满足要求；若计算结果对比显示转换前后冰型相似程度小于90%，应重新选取参数。


2.根据权利要求1所述的相似转换方法，所述步骤（2）中，若Vs及δs超过结冰风洞能力包线，选择以下两种方法之一进行尝试：
a.指定任意风洞能力包线内的风速并计算δs；
b.对相似准则数K0引入容差，调整风速或δs至结冰风洞能力包线范围内。


3.根据权利要求1所述的相似转换方法，所述步骤（4）中，若Tst,S及LWC超过结冰风洞能力包线，采用Olsen方法，选取Tst,S，并再次求解LWC，直到满足结冰风洞能力包线范围。


4.根据权利要求2所述的相似转换方法，所述步骤（4）中，若Tst,S及LWC超过结冰风洞能力包线，采用Olsen方法，选取Tst,S，并再次求解LWC，直到满足结冰风洞能力包线范围。
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，易贤，王强，李维浩，任靖豪，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51