一种旋翼桨叶结冰准非定常数值模拟方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种旋翼桨叶结冰准非定常数值模拟方法和系统，其中方法包括生成旋翼桨叶网格和背景网格；将总结冰时间均匀划分为多个结冰时间步；将旋翼的运动周期均匀划分为多个物理时间步；计算当前物理时间步的非定常流场；计算当前物理时间步的水滴场；计算每个结冰时间步的结冰计算周期总数；计算每个结冰时间；计算每个结冰时间步内结冰计算的次数；更新结冰后的旋翼桨叶网格；完成所有数量次结冰时间步，得到总结冰时间内旋翼桨叶结冰后的冰形结果。本发明专利技术保留旋翼运动过程中流场、水滴场和结冰的非定常特性，适用于直升机在悬停、前飞状态下的旋翼结冰数值模拟，提高了旋翼桨叶冰形预测的准确度。叶冰形预测的准确度。叶冰形预测的准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种旋翼桨叶结冰准非定常数值模拟方法和系统


[0001]本专利技术属于结冰数值模拟
，尤其涉及一种旋翼桨叶结冰准非定常数值模拟方法和系统。

技术介绍

[0002]直升机在结冰条件下飞行时，旋翼表面会发生结冰现象。旋翼结冰会影响其气动性能，降低直升机的操纵性和稳定性，严重威胁直升机的飞行安全，因此开展旋翼结冰数值模拟研究对于保障直升机飞行安全至关重要。
[0003]直升机在悬停或者前飞过程中，流场和水滴场具有很强的非定常效应，旋翼结冰是一种非定常结冰现象。在旋翼结冰数值模拟研究中，应用较为广泛的是一种针对旋翼翼型的结冰计算方法：首先通过计算得到三维旋翼流场结果，然后沿桨叶展向提取二维旋翼翼型的流场结果，最终对旋翼翼型进行结冰热力学计算。通过这种方法可以简单地得到一些旋翼结冰特征，但是由于没有考虑旋翼三维效应以及离心力的影响。
[0004]另外，定常和准定常方法被提出并应用于旋翼结冰数值模拟上。例如，Rajmohan发展了一种旋翼前飞状态下的结冰数值模拟方法，搭建了耦合旋翼空气动力学与结冰热力学分析的直升机旋翼结冰计算平台，该计算平台基于OVERFLOW，TURNS和GT
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Hybrid计算非定常流场，基于LEWICE3D代码进行水滴轨迹计算和结冰计算。该方法把结冰看作一个很慢的定常过程，把旋翼的三维流场信息按照桨叶方位角进行划分，并对每个特征方位角下的桨叶进行了单独的结冰计算。
[0005]陈希基于结构运动嵌套网格系统首先进行了旋翼非定常流场和水滴场数值模拟，然后采用考虑水膜流动的Messinger结冰热力学模型进行结冰计算。在旋翼流场和水滴场的基础上，通过线性插值来获得旋翼一个旋转周期内的结冰条件与方位角的对应关系，在一个旋转周期内通过对特征方位角上的桨叶进行结冰量计算并依次累加，最终获得一个旋转周期内的总结冰量，并反映在结冰外形上，该方法在得到一个旋转周期的结冰量后通过线性累加最终获得多个结冰周期的结冰量。
[0006]Myles Morelli采用开源软件SU2计算旋翼的非定常流场，采用基于拉格朗日法的内部代码PoliDrop计算每个非定常时间步的水滴运动轨迹和撞击位置，并在旋翼一个旋转周期后计算水收集系数，最后采用基于Myers结冰热力学模型的内部代码PoliMIce进行结冰计算。
[0007]上述定常或准定常结冰计算方法忽略了旋翼运动过程中的强非定常效应，无法准确预测冰形。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种旋翼桨叶结冰准非定常数值模拟方法和系统。
[0009]第一方面，本专利技术提供一种旋翼桨叶结冰的准非定常数值模拟方法，包括：
S1，根据旋翼桨叶的几何模型，生成旋翼桨叶网格和背景网格；S2，将总结冰时间均匀划分为多个结冰时间步；S3，将旋翼的运动周期均匀划分为多个物理时间步；S4，获取当前物理时间步的旋翼桨叶网格；S5，根据当前物理时间步的旋翼桨叶网格和背景网格进行非结构重叠网格装配，确定旋翼桨叶网格和背景网格的插值边界单元和插值边界单元对应的宿主单元；S6，根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的非定常流场；S7，根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的水滴场；S8，根据旋翼的运动周期计算每个结冰时间步的结冰计算周期总数；S9，在旋翼的运动周期内计算每个结冰时间；S10，计算每个结冰时间步内结冰计算的次数；S11，在每个结冰时间步内依次获取对应结冰时间的物面流场和水滴场数据，直至完成每个结冰时间步内结冰计算的次数，得到当前结冰时间步的冰形；S12，采用动网格技术更新结冰后的旋翼桨叶网格，将背景网格和更新结冰后的旋翼桨叶网格作为下一个结冰时间步的非定常流场和水滴场求解的计算网格；S13，在每个结冰时间步内重复步骤S3
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S13，直至完成所有数量次结冰时间步，得到总结冰时间内旋翼桨叶结冰后的冰形结果。
[0010]进一步地，所述根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的非定常流场，包括：根据以下公式计算当前物理时间步的非定常流场：；其中，为流场计算网格单元体守恒变量；为流场计算网格单元面对流通量；为流场粘性通量；t为计算时间；Ω为计算网格单元的体积；S为计算网格单元其中一个面的面积。
[0011]进一步地，所述根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的水滴场，包括：根据以下公式计算当前物理时间步的水滴场：；其中，为水滴场计算网格单元体守恒变量；为水滴场计算网格单元面对流通量；为水滴场计算网格单元的源项；t为计算时间；Ω为计算网格单元的体积；为水滴场计算网格单元面的法向量；S为计算网格单元其中一个面的面积。
[0012]进一步地，所述计算每个结冰时间步内结冰计算的次数，包括：根据以下公式计算每个结冰时间步内结冰计算的次数：k=j
×
m；
其中，k为每个结冰时间步内结冰计算的次数；j为每个结冰时间步所包含的结冰计算周期总数，j=T
ice
/T，T
ice
为结冰时间步；T为旋翼的运动周期；m为小于物理时间步总数的常数。
[0013]第二方面，本专利技术提供一种旋翼桨叶结冰的准非定常数值模拟系统，包括：网格生成模块，用于根据旋翼桨叶的几何模型，生成旋翼桨叶网格和背景网格；第一划分模块，用于将总结冰时间均匀划分为多个结冰时间步；第二划分模块，用于将旋翼的运动周期均匀划分为多个物理时间步；第一获取模块，用于获取当前物理时间步的旋翼桨叶网格；重叠网格装配模块，用于根据当前物理时间步的旋翼桨叶网格和背景网格进行非结构重叠网格装配，确定旋翼桨叶网格和背景网格的插值边界单元和插值边界单元对应的宿主单元；第一计算模块，用于根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的非定常流场；第二计算模块，用于根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的水滴场；第三计算模块，用于根据旋翼的运动周期计算每个结冰时间步的结冰计算周期总数；第四计算模块，用于在旋翼的运动周期内计算每个结冰时间；第五计算模块，用于计算每个结冰时间步内结冰计算的次数；第二获取模块，用于在每个结冰时间步内依次获取对应结冰时间的物面流场和水滴场数据，直至完成每个结冰时间步内结冰计算的次数，得到当前结冰时间步的冰形；更新模块，用于采用动网格技术更新结冰后的旋翼桨叶网格，将背景网格和更新结冰后的旋翼桨叶网格作为下一个结冰时间步的非定常流场和水滴场求解的计算网格；循环模块，用于在每个结冰时间步内依次重复第二划分模块至更新模块的操作，直至完成所有数量次结冰时间步，得到总结冰时间内旋翼桨叶结冰后的冰形结果。
[0014]进一步地，所述第一计算模块，包括：第一计算单元，用于根据以下公式计算当前物理时间步的非定常流场：；其中，为流场计算网格单元体守恒变量；为流场计算网格单元面对流通量；为流场粘性通量；t为计算时间；Ω为计算网格单元的体积；S为计算网格单元其中一个面的面积。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋翼桨叶结冰的准非定常数值模拟方法，其特征在于，包括：S1，根据旋翼桨叶的几何模型，生成旋翼桨叶网格和背景网格；S2，将总结冰时间均匀划分为多个结冰时间步；S3，将旋翼的运动周期均匀划分为多个物理时间步；S4，获取当前物理时间步的旋翼桨叶网格；S5，根据当前物理时间步的旋翼桨叶网格和背景网格进行非结构重叠网格装配，确定旋翼桨叶网格和背景网格的插值边界单元和插值边界单元对应的宿主单元；S6，根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的非定常流场；S7，根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的水滴场；S8，根据旋翼的运动周期计算每个结冰时间步的结冰计算周期总数；S9，在旋翼的运动周期内计算每个结冰时间；S10，计算每个结冰时间步内结冰计算的次数；S11，在每个结冰时间步内依次获取对应结冰时间的物面流场和水滴场数据，直至完成每个结冰时间步内结冰计算的次数，得到当前结冰时间步的冰形；S12，采用动网格技术更新结冰后的旋翼桨叶网格，将背景网格和更新结冰后的旋翼桨叶网格作为下一个结冰时间步的非定常流场和水滴场求解的计算网格；S13，在每个结冰时间步内重复步骤S3
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S13，直至完成所有数量次结冰时间步，得到总结冰时间内旋翼桨叶结冰后的冰形结果。2.根据权利要求1所述的旋翼桨叶结冰的准非定常数值模拟方法，其特征在于，所述根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的非定常流场，包括：根据以下公式计算当前物理时间步的非定常流场：；其中，为流场计算网格单元体守恒变量；为流场计算网格单元面对流通量；为流场粘性通量；t为计算时间；Ω为计算网格单元的体积；S为计算网格单元其中一个面的面积。3.根据权利要求1所述的旋翼桨叶结冰的准非定常数值模拟方法，其特征在于，所述根据当前物理时间步的非结构重叠网格装配结果计算当前物理时间步的水滴场，包括：根据以下公式计算当前物理时间步的水滴场：；其中，为水滴场计算网格单元体守恒变量；为水滴场计算网格单元面对流通量；为水滴场计算网格单元的源项；t为计算时间；Ω为计算网格单元的体积；为水滴场计算网格单元面的法向量；S为计算网格单元其中一个面的面积。4.根据权利要求1所述的旋翼桨叶结冰的准非定常数值模拟方法，其特征在于，所述计算每个结冰时间步内结冰计算的次数，包括：根据以下公式计算每个结冰时间步内结冰计算的次数：
k=j
×
m；其中，k为每个结冰时间步内结冰计算的次数；j为每个结冰时间步所包含的结冰计算周期总数，j=T
ice
/T，T
ice
为结冰时间步；T为旋翼的运动周期；m为小于物理时间步总数的常数。5.一种旋翼桨叶结冰的准非定常数值模拟系统，其特征在于，包括：网格生成模块，用于根据旋翼桨叶的几何模型，生成旋翼桨叶网格和背景网格；第一划分模块，用于将总结冰时间均匀划分为多个结冰时间步；第二划分模块，用于将旋翼的运动周...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱春玲，田成林，杨宇辰，赵宁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：