基于BP神经网络的冰形特征参数预测

机翼结冰影响了飞机飞行的气动特性，严重时将会引起事故，对冰形特征参数进行预测对翼型气动特性研究以及后续防除冰措施具有重要的意义。本文利用BP神经网络，建立翼型冰形特征参数预测模型，并采用k折交叉验证进行网络结构选择，以气象与飞行条件作为输入，结冰极限、冰角高度和角度等冰形特征参数作为输出。结果表明:预测的冰形特征参数（除下冰角高度外）与数值结果相对误差低于5%，证明该方法具有较好的预测效果。     

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。     

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。     

过冷水滴凝固机理及凝固组织特征

针对飞机过冷水滴结冰的精细化预测需求，基于相变热力学与相变动力学相关理论，采用示差扫描量热法（DSC）、结冰风洞试验及微结构测试相结合的方法，研究了过冷水滴凝固过程的热力学机理及凝固组织特征。基于示差扫描量热法，研究了冷却速率及形核条件对结晶凝固特性的影响规律；基于结冰风洞试验开展了不同温度条件下冰相的宏观形貌及微结构特征研究。结果表明，过冷条件及冷却速率是影响过冷水滴结晶速率及结晶完善程度的重要因素。降温速率越大，结晶速率常数增大、结晶速率相应提高。同时，结晶峰变宽，结晶初始温度向低温方向移动，过冷效应相对显著；反之亦然。过冷度及冷却速率对冰相的宏观及微观形貌均有着重要影响。过冷度越大则相同时间内冷却速率越大，晶体生长过程越不充分，晶体不规则程度相对较高，同时晶粒密度变大、尺度变小，冰相表观透明度相对降低；反之，过冷度越小，则晶粒密度变小、尺度变大，冰相表观透明度相对较高。异相形核条件对加速结晶过程有重要促进作用，晶种的存在可有效加速二次结晶的触发，使过冷效应显著减弱。相关研究可为飞机结冰速率、冰相物理特征及冰形宏观形貌的精细化预测提供参考。     

结冰风洞试验段水滴分布特性分析

喷雾系统是结冰风洞的主要组成部分,在结冰风洞试验段直接进行不同状态粒子分布特性的测量,会耗费巨大的成本。为此,本文提出一种采用实验测试和数值计算相结合的手段研究结冰风洞试验段水滴分布特性的方法。通过搭建独立的喷雾粒子试验系统,得到喷嘴出口处的粒子分布特性,在此基础上,采用数值方法计算不同水滴在风洞内的运动及传质传热过程,得到不同水滴蒸发之后的直径,进而获得试验段粒子的分布特性。采用该方法对典型雾化状态下3m×2m结冰风洞试验段粒子分布特性进行了研究,对比了空气湿度的影响。研究发现:(1)喷嘴出口处的初始喷雾粒子与试验段的水滴均保持近似正态的分布,试验段的水滴平均直径(MVD)与初始MVD接近,蒸发不能引起明显的MVD变化;(2)虽然空气湿度越小,水滴蒸发量越大,但湿度为100%时试验段水滴的 MVD比湿度为70%时小。研究成果为结冰风洞喷雾系统设计和调试提供了较好的技术基础。     

飞机结冰冰形测量方法研究进展

不同气象环境下飞机部件的结冰外形是飞机结冰研究不可缺少的内容,它对开展结冰气动分析、结冰防护设计、结冰飞行操作和结冰适航取证等研究具有重要意义。结合国内外冰形测量技术发展现状,从接触测量方法和非接触测量方法两个方面分别介绍了现有冰形测量技术的操作流程及测量原理,系统分析总结了各自存在的优缺点。在此基础上,结合飞机结冰和结冰风洞试验的特点,归纳了冰形测量技术下一步发展面临的挑战,包括全类型结冰的精确测量、结冰全貌三维测量和结冰生长过程实时测量等,同时,从基础测量手段与数值计算融合发展的角度,展望了冰形测量方法未来的发展趋势。     

结冰翼型表面明冰的压力分布和应力计算

在不同来流速度和攻角下,比较分析了冰型外部压力分布的变化规律,计算分析了外部压力分布对表面冰型的力学特性影响规律,研究了冰型和蒙皮界面间最大剪切应力的变化规律,并结合剪切强度随界面温度变化的实验曲线,分析了最大剪切应力对冰层脱落的贡献.计算结果表明:最大剪切应力是剪切强度的5.48%,因此气动力对冰层的脱落贡献不大;当开启热除冰装置后,由于蒙皮表面温度的不断上升,冰型和蒙皮界面间剪切强度的下降,当表面温度为-2℃时,最大剪切应力超过剪切强度的10%,此位置可能率先产生破裂,从而加速冰层的脱落.     

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。     

动力对全机水滴收集率的影响计算

针对飞机在飞行中遭遇过冷水滴撞击并结冰现象,建立了适合于发动机带动力情况下结冰过程水滴收集率计算的三维数值方法和计算程序.其基本思路为:采用多块技术与SIMPLE方法计算空气流场,以流场分布的计算结果为基础,求解水滴相的控制方程,进而获得物体表面的水滴收集率.空气相控制方程和水滴相控制方程均写成典型输运方程的形式,采用一致的有限体积法离散求解,方便了计算程序的编制.对某型运输机巡航构型有/无动力条件的水滴收集率进行了比较计算,获得了不同直径水滴在飞机表面的撞击特征以及水滴收集率在飞机机翼、平尾、垂尾和发动机进气道唇口上的分布规律.研究表明:(1)发动机是否带动力对机翼、平尾、垂尾的水滴收集率基本无影响;(2)飞机带动力主要影响发动机进气道唇口处的水滴收集率,带动力后唇口的收集率比无动力情况高,水滴撞击范围增大,在进行防除冰研究和设计时需引起重视.     

考虑传质传热效应的翼型积冰计算

本文采用计算流体力学的方法对NACA0012翼型前缘涉及传质传热效应的glaze ice积冰进行了预测.在流场计算中,用有限体积法对二维定常不可压粘流的时均N-S方程进行离散求解;采用四阶龙戈-库塔(RK)法求解水滴运动方程;通过求解在翼型表面控制体积内积冰过程中所遵循的质量和能量守恒方程,并且假定冰沿着与当地翼型表面法向一致的方向增长,来预测积冰的形状.文中同时对结有glaze ice冰翼型的气动特性进行了计算与分析.