温度对动态结冰微观结构特性影响定量分析

飞机结冰是动态冻结的过程,在微观上会形成类似多孔介质的孔隙结构,该微观结构直接影响结冰的物理特性,同时又因结冰条件的不同而呈现一定差异化。针对温度对飞机结冰微观特性定量影响这一难点问题,首先结合图像分割方法,提出结冰微观信息提取方法;其次,结合结冰微观形态的定量结果提出合理假设,建立结冰微观结构的三维数学模型,并提出计算密度的概念,以此作为衡量结冰内部孔隙分布特性的定量指标;最后,以风洞试验显微图像为对象,验证孔隙提取方法和微观结构数学模型的适用性与合理性,并开展了温度对孔隙分布和计算密度的定量影响研究,微观定量结果与宏观特性具有较高的一致性。本研究可以为结冰微观定量研究提供方法手段,为结冰物理现象及物理特性的深入认识提供定量依据。     

基于变分分割模型的结冰冰形测量方法

结冰冰形是结冰风洞试验中关注的要素之一,针对其冰形测量问题,提出了一种基于变分图像分割技术的非接触测量方法。基本思路是对翼型结冰俯视图像进行图像分割,将获得的曲线标定后与翼型数模结合,得到最终结冰冰形。为了排除结冰图像中不相干物体和因素的干扰,更精确获取结冰冰形,提出了选择分割的思想,构造了区域特征函数,建立了新的能量函数。采用所提基于变分分割模型的测量方法,对结冰风洞试验冰形进行了测量,并定量分析了方法的误差,测试了方法的抗噪声能力。结果表明该方法对结冰冰形的测量是准确可行的,且具有较高的精度,另外,其对噪声具有鲁棒性。所提方法可推广至其他与物体形状相关的测量中。     

结冰条件下的飞机飞行动力学仿真

基于飞机结冰参量模型对飞机在结冰条件下的飞行动力学特性进行了仿真研究.提出一种飞机结冰参量模型的参数计算方法,并针对一定结冰气象条件下的不同结冰时间对飞机的结冰严重程度进行了评估,基于小扰动理论对飞机结冰前和不同结冰严重程度下的纵向、横侧动稳定性以及操纵响应进行了仿真计算,根据仿真计算结果分析了不同结冰严重程度对飞机造...     

飞机结冰后非线性气动力建模及动态响应特性研究

当前结冰后的动力学仿真主要基于线性气动力模型及结冰影响模型进行,对于结冰后非线性气动力模型的研究较少,然而这对于飞机结冰后在大迎角等非线性区域的动力学分析极为重要.研究了飞机结冰后的非线性气动力模型,将结冰后线性气动力模型的估算方法扩展到非线性气动力模型上,并在结冰后大迎角区域风洞试验数据的基础之上,对失速及过失速区的气动参数变化进行修正.研究了飞机在不同升降舵脉冲信号作用下的动态响应.仿真结果表明,计算结果能够较好地反映飞机在结冰状态下的动力学特性,提出的非线性结冰影响模型能够为结冰条件下研究飞机失速及过失速区域的动力学特性提供理论支撑.     

绕轴旋转圆柱结冰特性结冰风洞试验

绕轴旋转物体结冰是一种常见的结冰现象,如风力机叶片和直升机旋翼结冰等。针对该旋转模型的结冰问题,以绕轴旋转圆柱为对象,进行了结冰风洞试验研究。试验在自行设计的利用自然低温的结冰风洞系统中完成。在对结冰风洞试验能力进行验证后,对具有不同直径、转速和结冰时间的旋转圆柱结冰进行了试验,建立了旋转圆柱的结冰分析与评价方法,分析了转速、圆柱直径、结冰时间等对圆柱结冰形状主要特征量的影响规律,包括结冰面积、无因次结冰面积、驻点厚度、无因次驻点厚度、驻点偏转角、无因次结冰上下极限等,获得了旋转圆柱的结冰特性。在此基础上,通过回归正交试验设计,构建了旋转圆柱结冰的预测模型,并进行了验证与分析。研究结果可为绕轴旋转物体结冰特性研究提供参考和借鉴。     

基于极值理论的平尾结冰飞行风险评估

提出了结合极值理论与Copula模型来量化评估平尾结冰条件下飞行风险概率的方法。通过建立人-机-环复杂系统模型,对平尾在进近与着陆过程中的结冰情形进行仿真,采用蒙特卡罗法提取平尾结冰极值参数,验证了所提取极值参数符合一维广义极值（GEV）分布,根据飞行风险的定义和相关安全性准则,建立了平尾结冰飞行风险发生的判定条件,计算得出一维极值飞行风险概率;在此基础上选取Copula模型来描述二维极值参数的相关性,对多种Copula模型的未知参数进行辨识,通过拟合优度检验对精度进行验证,得出Joe Copula模型对二维极值分布的描述最为准确,运用Joe Copula模型计算出二维极值飞行风险概率,有效解决了一维极值具有的局限性。所提方法对飞行安全评估等理论有一定参考价值,能为平尾结冰飞行事故的预防提供分析和检验依据。     

飞机结冰热力学行为研究综述

热力学现象是制约飞机结冰特性的重要现象之一。开展飞机结冰过程热力学行为的研究旨在深入把握结冰过程的规律特征,从而为建立科学有效的结冰防护手段、保障结冰条件下的飞行安全奠定基础。本文回顾和介绍了飞机结冰热力学研究所涉及的过冷水滴存在的物理机制、结冰热力学条件、形核与晶体生长、耦合液/固相变的复合传热传质特性,以及热力学效应作用下的结冰物理特性等相关领域的研究进展及发展现状,并基于国外相关研究的发展趋势,提出了中国未来飞机结冰热力学研究需重点关注的方向。     

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础。对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法。该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小。采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性。同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量。采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足。     

基于卷积神经网络的结冰翼型气动特性建模

提出了基于卷积神经网络（CNN）的结冰翼型气动特性预测方法，设计了输入层结冰翼型图像规范，克服了复杂冰形在翼面同一位置法线方向存在多值，单值函数难以描述的问题。预测模型可同时预测多个迎角对应的升阻力系数，实现了直接从冰形图像到气动特性的快速预测，对升力系数和阻力系数预测结果的平均相对误差均可控制在8%以内。重点研究了不同卷积层数量、卷积核数量、卷积核尺寸对模型性能的影响规律：CNN的不同层次特征对应不同滤波频率，卷积层数增加会捕获更多高频特征量；增加卷积核数量可提取更多冰形特征，提升模型性能，但数量过多会增加冗余特征，降低模型泛化性能；阻力系数预测模型对卷积核数量的最低要求大于升力系数，其原因在于，相较升力系数，阻力系数不仅受翼面压差影响，还受摩阻特性影响，其建模所需的关键特征数量多于升力系数；增大卷积核尺寸，可扩大卷积操作“视野”，增强对冰形整体特征信息的提取，有利于提升模型泛化性能。相关结论为飞机结冰气动特性实时动态预测与监测提供了新的思路和方法支撑。     

飞机三维结冰模型及其数值求解方法

 对飞机结冰外形进行纯三维数值模拟,是目前飞机结冰预测中的一大难点。为了建立三维结冰数值模拟方法,基于Messinger的二维结冰模型,提出了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型,并针对该模型建立了表面单元内溢流水流动的分配方案、发展了相应的迭代求解方法。采用本文方法对MS-317后掠翼结冰进行了计算,并与实验和Lewice3D的计算结果进行了对比。研究结果显示：本文方法具有较好的收敛性,计算的霜冰和明冰外形均与Lewice3D计算的冰形一致;对于霜冰和结冰时间较短的明冰,本文计算的冰形与实验吻合较好;对于结冰时间较长的明冰,本文计算的冰形与实验对比还有一定差异,但冰生长的总体趋势和大致体积与实验一致。同时,对比了MS-317无后掠翼与有后掠翼结明冰的外形,发现机翼后掠导致的三维溢流效应对结冰外形有明显影响,因此,对于三维结冰分析,如果用二维截面的结果来代替三维结果,其合理性还需验证。     

一种用于飞机结冰的海绵冰模型及应用

基于两相流理论,采用欧拉法对飞机结冰进行数值模拟,在空气流场速度分布的基础上,求解水滴流场,得到水滴收集率和撞击极限.结果表明:欧拉法比拉格朗日法在计算水滴收集效率和撞击极限方面有优势,尤其是在较大的水滴平均等效直径情况下.对翼型的冰形和圆柱表面的温度预测数据和实验数据进行对比,圆柱冰形厚度误差在15.0%之内,计算结果与实验结果吻合较好,同时表明结冰模型是有效可行的.      

基于Kriging模型的冰风洞试验冰形参数化方法

为增强冰形使用的可靠性,基于Kriging模型,提出了冰形曲线参数化的方法。以多组冰风洞试验冰形为对象,分析了方法的可操作性及其关键参数对结果的影响规律。同时,结合等效砂粒高度的概念,阐述了参数化冰形实际应用中的有效建议。研究表明:方法是可行的,它在保证了原冰形几何特征的基础上,有效光滑了小尺度的尖角和凹陷,优化了原冰形;在考虑合适表面粗糙度后,又保持了原冰形气动特性。方法为试验冰形后处理提供了必要的手段,同时可结合高精度拟合方法,推广至冰形预测中,以提高冰形获取效率和适用性。     

基于等 Weber 数的结冰外形修正

由于设备条件的限制,在进行结冰风洞试验时,试验 Weber 数与目标 Weber 数往往存在差异,为了获得与目标 Weber 数对应的冰形,需要对试验结果进行修正。本文分析了进行 Weber 数修正的原因,提出了根据几何特征量进行结冰外形修正的方法,并以某超临界翼型为对象,对不同 Weber 条件下的结冰外形进行了仿真,研究了Weber 数变化对结冰的影响规律,在此基础上开展了基于等 Weber 数的结冰外形修正。研究发现：(1)Weber 数主要影响冰角特征,对水滴收集特性、结冰极限及驻点冰厚度影响较小;(2)存在一个敏感 Weber 数,低于敏感值时, Weber 数变化对结冰影响不大,当 Weber 数高于敏感值时,Weber 数变化对结冰有明显影响;(3)采用本文提出的冰形修正方法,能保证冰形的宏观轮廓与目标冰形一致,修正后的冰形能适量消除由于 Weber 数误差导致的冰形差异,提高试验的精度。     

过冷大水滴条件下结冰相似准则

虑到中国现有结冰风洞在过冷大水滴(SLD)结冰条件模拟能力方面的局限,发展SLD结冰风洞及其相应的缩比方法迫在眉睫。研究了大水滴运动机理,并依据绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似、结冰过程热力学特性相似原理,提炼出SLD结冰条件下的6种相似缩比准则,利用结冰数值模拟软件FENSAP-ICE对所提相似缩比准则进行筛选与比较,从而基于结冰相似百分比量化判断准则找出给定条件下的最优准则法。结果表明:考虑SLD运动特性的撞击参数与ONERA法相耦合的方法以及撞击参数与Ruff法相耦合的方法的计算结果与实际成冰构型吻合良好；此外,撞击参数与ONERA法相耦合的方法在计算直径为171 μm的SLD时优于其他。      

临界冰形确定方法及其对气动特性影响研究

临界冰形是指在适航规章结冰包线内,每个可用飞行构型下,对飞机操纵性和稳定性影响最严重的冰形,临界冰形分析是飞机适航取证中的重要工作。对临界冰形确定方法,及临界冰形对气动特性的影响进行了研究。发展了基于 CFD 方法计算临界冰形的一般方法,包括临界冰形分析状态、敏感性分析截面确定、结冰参数敏感性分析、临界结冰条件确定、临界冰形确定等。流场计算采用中航工业空气动力研究院气动力计算平台(UNSMB),基于 Jameson 中心格式的有限体积法求解 N-S 方程;水滴撞击特性计算采用 Eulerian 方法求解水滴轨迹运动方程;结冰计算采用经典的 Messinger 热力学模型。选取 CRM 飞机为研究对象,以机翼外翼50%展长处为敏感性分析截面,在典型飞行条件下,分析了结冰对环境温度、水滴直径、飞行速度、飞行迎角等参数的敏感性。利用“几何外形敏感性分析方法”,即通过对比冰形的上下冰角角度和冰角厚度等冰形几何参数来确定最严重冰形,得到了CRM 飞机的临界结冰条件和临界冰形,其中敏感性分析截面在水滴直径为30μm 时上冰角厚度和下冰角厚度最大,冰角最大厚度约41 mm。计算了结冰后的气动性能衰减规律,临界冰形对飞机气动性能影响严重,导致升力降低6.7%~23.8%,阻力增加17%~70.9%。发展了45min 待机临界冰形确定方法,基于几何外形敏感性分析方法进行环境温度、水滴直径、飞行条件等各类参数的结冰敏感性分析,得到飞机的临界结冰条件和临界冰形,对于民用飞机设计和适航取证具有一定的工程应用价值。     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

并列双方柱的疏水涂层防冰效果结冰风洞实验评估

采用结冰风洞实验研究的方法,利用0.3m×0.2m结冰风洞主实验段,在不同结冰气象条件下对涂覆在并列双方柱实验模型表面的不同纳米疏水涂层结冰特性进行了实验研究,对左右并排的方柱实验模型表面的结冰外形进行了测量和比较,建立了基于9个结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法,对有、无纳米疏水涂层表面的结冰外形几何特征量无量纲化偏差进行了计算和分析。研究表明:基于结冰外形几何特征量的防冰效果量化评估方法可以较好地评估纳米疏水涂层的防冰效果。与未涂覆防冰涂层的铝合金材料相比,硅橡胶及其添加颗粒的纳米涂层均具有一定的防冰性能,与硅橡胶涂层相比,有的添加颗粒的纳米涂层防冰效果略好一点,而有的略差一点,没有明显提高。在硅橡胶基底材料中添加纳米疏水颗粒,可以在涂层表面构筑一些微纳结构,从而起到防冰作用。因此,在硅橡胶涂层中添加纳米疏水颗粒是一种值得探索的防冰涂层制备研究方向,但如果仅采用物理混合搅拌的方法,纳米颗粒难以在硅橡胶涂层表面形成稳定疏水性能的微纳乳突结构。纳米疏水涂层只能降低结冰速率,无法完全杜绝材料表面的结冰现象。      

基于特征正交分解法的翼型结冰冰形快速预测

为加快翼型结冰冰形的计算速度,提出了一套基于特征正交分解(POD)法的结冰冰形快速预测算法.通过计算流体动力学(CFD)数值模拟计算得到的冰形结果作为样本,以结冰温度单参数变化时为例,详细介绍了POD法预测结冰冰形的实现步骤.考虑结冰温度、结冰时间以及液态水含量的影响,完成了单参数、两参数与三参数变化时的POD结冰冰形快速预测.通过算例结果发现:完成POD预测计算只需几秒钟且POD法与CFD法得到的冰形吻合较好,仅在冰角附近有较小差别,表明POD方法能够快速、准确地得到翼型的结冰冰形.