專利名稱：基于液態(tài)水分布的結(jié)冰表面粗糙度衡量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛機(jī)結(jié)冰數(shù)值計算方法，尤其涉及一種基于液態(tài)水分布的結(jié)冰表面粗糙度衡量方法，屬于冰層表面粗糙度評估領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在飛機(jī)穿越含有過冷水滴的云層時，機(jī)翼前緣通常會發(fā)生結(jié)冰，造成飛機(jī)的飛行性能下降。為了保證飛機(jī)的飛行安全，并減少試驗資源消耗，提高研究效率，必須大力發(fā)展飛機(jī)結(jié)冰數(shù)值模擬技術(shù)。而在結(jié)冰數(shù)值計算中，需要模擬冰層隨時間的增長過程，因此就涉及到每個時間步長上冰層表面的粗糙程度衡量問題，即每個時間步長后都必須根據(jù)當(dāng)前時刻表面積冰情 況更新粗糙度，合理衡量積冰對氣流壓力系數(shù)和水滴收集系數(shù)的影響，以及對冰層、過冷水及空氣三相的傳熱傳質(zhì)產(chǎn)生的影響。目前常規(guī)的結(jié)冰表面粗糙度衡量方法是等效沙粒粗糙高度模型，即把冰層表面的粗糙程度等效為等直徑排列的沙粒，計算得出常數(shù)粗糙度值，在計算過程中表面冰層外推后，不再進(jìn)行粗糙度更新，整個結(jié)冰計算中采用該常數(shù)作為冰層的粗糙度值。這種方法沒有把結(jié)冰粗糙度表達(dá)為空間和時間的函數(shù)，無法表達(dá)出冰層不斷形成及模型不同位置上粗糙度的差異，因此結(jié)冰計算的誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，而提出一種基于液態(tài)水分布的結(jié)冰表面粗糙度衡量方法，以實現(xiàn)結(jié)冰過程中冰層表面粗糙度的實時更新。該方法的內(nèi)容如下根據(jù)控制體的質(zhì)量守恒原理獲得結(jié)冰表面的水膜高度hw，根據(jù)受力平衡模型，確定水膜發(fā)生破斷的臨界水膜高度hfi
「 I , r6·/^2 ·σ· (I-CosS)1^hf—r = [―^——--]3當(dāng)hw > hf_r時,水膜連續(xù),粗糙度ks等于水膜表面波高,即:ks =0.75· —· I—；
Mw \ g當(dāng)hw < hf_r時，水膜破斷形成溪流，粗糙度ks等于當(dāng)?shù)叵鞲叨龋磌s =R(l_cos θ )；以上公式中yw為水動力粘度，O為水膜表面張力，Θ為水在冰面上的接觸角，P w為水密度，τ a為水膜受到的氣流剪切應(yīng)力，g為重力加速度，R為溪流半徑。技術(shù)效果本方法可在每個時間步長上對冰層表面的粗糙度進(jìn)行更新，很好地解決了結(jié)冰計算中冰層表面粗糙程度的衡量問題，使得冰層表面粗糙度評估更接近實際結(jié)冰過程，為提高后續(xù)結(jié)冰傳熱傳質(zhì)和冰形的模擬精度奠定了基礎(chǔ)。


圖I為結(jié)冰表面水膜流動示意圖，圖中字母含義g表示重力加速度，gs表示重力加速度沿表面切線方向的分量，gy表示重力加速度沿表面法線方向的分量，Pa表示氣流作用于水膜表面的壓強(qiáng)，Ta(S)表示氣流作用于水膜表面的剪切應(yīng)力，u(s，y)表示水膜內(nèi)速度分布，hj表冰層厚度，hw表水膜厚度。圖2為水膜破斷過程示意圖，圖中dz表示展向微元長度。圖3為水膜破斷位置受力分析示意圖，圖中字母含義Θ為水在冰面上的接觸角，F(xiàn)p為上游動能轉(zhuǎn)化成的水膜破斷位置的壓力，F(xiàn)"、F02為水膜破斷位置弧形輪廓線上所受的表面張力。圖4為溪流模型示意圖，圖中字母含義Θ為水在冰面上的接觸角，R為溪流半徑，X為溪流間距。圖5為結(jié)冰模擬計算結(jié)果對比圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。結(jié)冰表面粗糙度是由表面的結(jié)冰過程所誘導(dǎo)產(chǎn)生的，根據(jù)試驗現(xiàn)象，在結(jié)冰氣象條件下機(jī)翼結(jié)冰表面存在一層薄水膜，如圖I所示。由于水膜在向下游流動的過程中不斷與氣流及冰層之間發(fā)生熱質(zhì)交換，其高度會不斷減小，當(dāng)其高度達(dá)到臨界高度時，水膜破斷形成溪流，如圖2所示。因此，本方法針對結(jié)冰表面不同的液態(tài)水分布狀態(tài)，建立分區(qū)的粗糙度模型，具體內(nèi)容如下根據(jù)控制體的質(zhì)量守恒原理獲得機(jī)翼結(jié)冰表面任意處的水膜高度hw，根據(jù)受力平
衡模型，確定水膜發(fā)生破斷的臨界水膜高度hf_p水膜破斷位置的受力分析如圖3所示。
權(quán)利要求
1.ー種基于液態(tài)水分布的結(jié)冰表面粗糙度衡量方法，其特征在于 該方法的內(nèi)容如下 根據(jù)控制體的質(zhì)量守恒原理獲得結(jié)冰表面的水膜高度hw，根據(jù)受カ平衡模型，確定水膜發(fā)生破斷的臨界水膜高度hfi
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于液態(tài)水分布的結(jié)冰表面粗糙度衡量方法，屬于冰層表面粗糙度評估領(lǐng)域。該方法是針對結(jié)冰表面不同的液態(tài)水分布狀態(tài)，建立分區(qū)的粗糙度模型，即把結(jié)冰表面的水膜高度與水膜發(fā)生破斷的臨界水膜高度進(jìn)行比較，當(dāng)前者較大時，粗糙度等于水膜表面波高，當(dāng)后者較大時，粗糙度等于水膜破斷形成的溪流高度。本方法在每個時間步長上都根據(jù)實際冰層表面液態(tài)水特征更新粗糙度值，使粗糙度評估更接近實際的結(jié)冰過程。
文檔編號G06F19/00GK102663238SQ20121007588
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者孫志國, 朱春玲, 檀妹靜 申請人:南京航空航天大學(xué)