微下冲气流数值模拟

从大气动力学角度建立了三维冰雹云数值模型，利用此模型模拟研究了发生在美国丹佛机场的一起微下冲气流风切变，并与美国国家航空航天局公布的ＴＡＳＳ模型模拟结果进行了对比分析，得到一些重要结论，并指出了模拟工作中存在的问题。     

大型飞机穿越微下击暴流风场的实时仿真(英文)

为在飞行模拟器中高逼真度地模拟在扰动风场中的飞行,研究了大型飞机在起飞着陆阶段遭遇微下击暴流风切变的实时仿真。基于涡环和Rankine复合涡原理建立了参数化三维微下击暴流模型。通过涡环倾斜和多涡环叠加方法实现了各种复杂微下击暴流风场的模拟。基于Boeing747-100飞机建模数据,系统推导了含风切变影响的六自由度动力学模型,给出了扰动风下气动模型修正的一般方法。对该机遭遇微下击暴流时实施纵向和横侧改出分别进行了控制器设计与仿真。研究结果表明,建立的三维微下击暴流模型可扩展性强,可用于模拟实际复杂风场。含风切变影响的大型飞机动力学模型合理有效。针对飞机从不同位置穿越风场,可采用不同的改出策略。整个模型可应用于飞行模拟器的实时飞行仿真。     

含湍流可变向微下击暴流的建模

本文建立一个适用于飞行力学研究和飞行员训练的微暴流风切变模型。该模型可模拟以任意方向倾泻的微暴流，其暴核离地高度、暴核直径、暴流强度、暴流倾泻方向、距机场位置等皆为可调参数，使用灵活方便，文中还给出了一种模拟非平衡微暴流湍流的方法，使微暴流模型更趋完善。     

风切变对飞机平飞特性的影响分析

利用对风切变的描述,建立微下冲气流工程化模型。随后根据建立起的风切变运动方程,对飞机穿越微下冲气流风场进行仿真,分析了风切变对飞机飞行性能的影响。     

机载前视式低空风切变探测数值模拟研究

使用二维面对称微下击暴流数值模式,对“湿”微下击暴流风切变进行了模拟,并通过工作在Ｘ－波段的微波多普勒雷达,对飞机着陆下滑航迹前方的微下击暴流风切变进行探测。结果表明：通过单元－单元自动增益控制、杂波滤波和天线仰角控制,可提前８０ｓ（６ｋｍ）探测到“湿”微下击暴流风切变,符合ＦＡＡ提出的适航要求     

下击暴流的特征及研究

下击暴流是一种航空危险天气。根据国内外近年出版的大气对流专著及相关文献,介绍了下击暴流的特征、影响下击暴流强度的因素以及对其定量描述和预报的方法。     

Cloud Formation and the Possible Significance of Charge for Atmospheric Condensation and Ice Nuclei

Cloud formation in the atmosphere is related to the presence of water vapour, cloud condensation nuclei (CCN) and ice nuclei (IN). Ionisation in the atmosphere is caused by a variety of sources, but the contribution from cosmic rays is always present and is modulated by the solar cycle. Methods of investigating the variability in ionisation are described. The mechanisms proposed by which (1) ionisation could influence cloud formation, and (2) by which changes to the CCN and IN could occur are discussed. Direct formation of sulphate CN is conceivable in atmospheric air by radioactivity, and charging of molecular clusters leads to greater collisions rates than for neutral clusters. Modification of the ice nucleation efficiency of aerosol could also have atmospheric effects through latent heat release. However in both cases definitive atmospheric experimental work is lacking and therefore any link between solar variability and clouds remains unproven.     

迎风面三维积冰过程中水膜流动的计算方法

对影响迎风面三维积冰过程的冰层表面水膜流动进行分析,建立描述其流动的数学模型,引入在流动前锋下游预设薄水膜的方法处理其在表面干区的流动推进过程,提出超过临界厚度的水膜被吹除的方法处理角状冰下游局部水膜被吹离表面的现象.通过对翼型-平板结构中翼型上的冰形对比和水膜流动规律分析,验证了该水膜流动数学模型的合理性和计算方法的可行性.研究表明:与Messinger模型相比,积冰模型中引入水膜流动后,可以较好地模拟三维明冰积冰,同时明冰极限的模拟结果也更接近试验值;冰层表面的水膜厚度约为10-5m,流动速度约为10-2m/s.      

发动机进气道短舱前缘结冰三维模拟研究

为计算发动机进气道短舱前缘的结冰冰形,在Messinger结冰热力学模型的基础上发展了一套纯三维的表面溢流水流动结冰模型。考虑空气摩擦力为表面溢流水流动的主要驱动力,用空气对进气道表面的剪切力来确定溢流水的流动方向及流量分配。为求解溢流水结冰模型,发展了一套重复查找表面控制体状态的方法,能够快速完成整个三维表面的计算。用该方法对某三维发动机进气道进行计算,得到了三维结冰冰形,并将计算结果与FENSAP-ICE计算结果进行了对比,结果显示两者的冰形轮廓基本一致,仅在冰角处存在差异,表明本文三维发动机结冰计算模型与计算方法是有效的,其计算精度与FENSAP-ICE结果相当。     

涡扇发动机短舱结冰试验相似方法

通过分析短舱表面结冰缩比试验相似要求,在保证绕流流场、水滴撞击特性和结冰冰型相似的基础上,分别采用基于气流雷诺数,气流韦伯数和水滴韦伯数3种速度选取方法建立了试验相似准则。利用该准则获得了明冰和霜冰条件下涡扇发动机短舱1/2缩比模型的结冰试验参数,开展了短舱进气道表面结冰冰型预测,对参考模型和缩比模型表面过冷水滴撞击特性、结冰特性、溢流水分布特性进行了分析。结果表明:采用基于气流韦伯数和水滴韦伯数速度选取方法的相似准则,在明冰和霜冰条件下均能保证缩比模型与参考模型表面水滴撞击特性相似,且相似性不受结冰温度影响;溢流水变化趋势与参考模型相似,流动极限相近;缩比模型表面冰型均与参考模型相似,该方法能够为短舱结冰试验参数选取提供依据。      

A spongy icing model for aircraft icing

Researches have indicated that impinging droplets can be entrapped as liquid in the ice matrix and the temperature of accreting ice surface is below the freezing point. When liquid entrapment by ice matrix happens, this kind of ice is called spongy ice. A new spongy icing model for the ice accretion problem on airfoil or aircraft has been developed to account for entrapped liquid within accreted ice and to improve the determination of the surface temperature when enter- ing clouds with supercooled droplets. Different with conventional icing model, this model identifies icing conditions in four regimes： rime, spongy without water film, spongy with water film and glaze. By using the Eulerian method based on two-phase flow theory, the impinging droplet flow was investigated numerically. The accuracy of the Eulerian method for computing the water collection efficiency was assessed, and icing shapes and surface temperature distributions predicted with this spongy icing model agree with experimental results well.     

模拟飞机迎风面三维积冰的数学模型

针对飞机迎风面的积冰建立了三维积冰模型,给出了模型的求解方法和求解步骤.该模型不但可以模拟明冰积冰、霜冰积冰和不结冰三种情况下的冰层生长,还可以模拟未凝结水膜在冰层表面的流动,而且在求解过程中可以自动判断过冷水滴撞击到迎风面以后的积冰形态.利用该模型数值模拟了翼型与平板相正交而形成的简单三维结构上的积冰过程,并将所得结果中翼型上三维冰形的二维截面与美国航空航天局(NASA)的冰形进行了对比,获得了较好的一致性,证实了所建立的积冰模型是合理的.      

Origin of Comet Nuclei and Dynamics

We present a review of the main physical features of comet nuclei, their birthplaces and the dynamical processes that allow some of them to reach the Sun’s neighborhood and become potentially detectable. Comets are thought to be the most primitive bodies of the solar system although some processing—for instance, melting water ice in their interiors and collisional fragmentation and reaccumulation—could have occurred after formation to alter their primordial nature. Their estimated low densities (a few tenths g?cm^?3) point to a very fluffy, porous structure, while their composition rich in water ice and other highly volatile ices point to a formation in the region of the Jovian planets, or the trans-neptunian region. The main reservoir of long-period comets is the Oort cloud, whose visible radius is ～3.3×10⁴ AU. Yet, the existence of a dense inner core cannot be ruled out, a possibility that would have been greatly favored if the solar system formed in a dense galactic environment. The trans-neptunian object Sedna might be the first discovered member that belongs to such a core. The trans-neptunian population is the main source of Jupiter family comets, and may be responsible for a large renovation of the Oort cloud population.     

基于Myers模型的三维结冰数值仿真

三维结冰表面上的水膜流动和结冰增长是结冰计算模型应考虑的核心内容,其中广泛应用的是Myers模型。Myers模型考虑了空气剪切力和空气压力对结冰表面水膜流动的影响,以及冰层、水膜和空气之间的导热与对流传热对结冰速率的影响。本文在使用Myers模型进行结冰预测时,发现Myers模型对霜冰转化为明冰的判断标准存在缺陷,会在结冰极限处产生不合理的冰角。因此对Myers模型的结冰类型判断标准进行了修改,对机翼表面的结冰过程进行了更加准确的模拟,并应用了有效的离散算法计算水膜流动和结冰增长过程。对比了二维NACA0012翼型的单步法、多步法计算结果和实验结果。明冰结冰温度较低时,本文计算结果与实验结果吻合很好,明冰结冰温度较高时,本文对上冰角的计算与实验结果有一定差距。本文提供了三维GLC-305后掠翼的结冰计算结果和实验结果的对比,冰角厚度的计算结果略小于实验结果,但整体趋势一致。     

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。     

穿越微下冲气流的飞翼布局无人机控制方法

微下冲气流是最危险的低空风切变形式,为在起降阶段安全穿越该气流,飞翼布局的无人机控制律应具有快速响应能力和良好的鲁棒性。针对大展弦比飞翼布局无人机舵面附加升力大和低速状态俯仰操纵效能低的特点,提出了舵面附加升力和机体气动力相结合的复合控制方案,改进了以输出误差为参考量的非线性指令分配策略,设计了基于迎角保护的指令分配策略。将风干扰和模型的不确定性视为未知扰动,采用自抗扰控制(ADRC)理论设计飞翼布局无人机非线性控制律,使之对风干扰和模型的不确定性进行估计补偿。仿真结果表明,复合控制与ADRC相结合的方法加速了航迹倾角的单位阶跃响应速度,使上升时间缩短了64%,同时能够实现对风干扰的有效观测和补偿,使高度损失低于2m;能够在风切变中有效保护迎角,使其维持在5.5°以内。因此,该方法能够为飞翼布局无人机安全平稳地穿越微下冲气流提供一种参考方案。     

旋转整流罩积冰过程中水膜流动和脱离的数值研究

为了更准确地模拟旋转整流罩积冰过程,在现有三维积冰与冰层表面薄水膜流动耦合模型基础上,基于功平衡分析的方法引入了旋转部件表面水膜脱离模型,并发展了相应的计算方法,给出了水膜脱离的判定依据:当气流曳力做的功和由于离心力使水膜增加的潜能之和大于黏附功时整流罩表面的水膜会发生脱离。对旋转整流罩积冰进行数值模拟,计算结果与实验结果吻合得较好,验证了该模型的合理性和计算方法的可行性。之后分析了转速和来流速度对整流罩表面水膜脱离和积冰的影响,结果表明:转速和来流速度越大,水膜发生脱离的比例越大。在研究范围内,转速为3000r/min和6000r/min时,因水膜脱离导致积冰总量分别减少13.4%和15.8%;来流速度为40、50m/s和60m/s时,因水膜脱离导致积冰总量分别减少为12.2%、13.4%、14.2%。      

Aerosol Effects on Clouds and Climate

Aerosols affect the climate system by changing cloud characteristics in many ways. They act as cloud condensation and ice nuclei, they may inhibit freezing and they could have an influence on the hydrological cycle. While the cloud albedo enhancement (Twomey effect) of warm clouds received most attention so far and traditionally is the only indirect aerosol forcing considered in transient climate simulations, here I discuss the multitude of effects.     

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。      

引射式结冰风洞内圆柱结冰试验

设计并建造了用于结冰研究的小型引射式结冰风洞试验系统,对其结冰气象条件参数进行了标定,给出了试验段水雾均匀区范围,验证了试验冰形的可重复性.在霜状冰和瘤状冰条件下,对直径为25.4mm和50.8mm的圆柱在所建的结冰风洞内进行了结冰试验.试验结果表明:在所研究的结冰条件和结冰时间范围内,霜状冰与瘤状冰的结冰厚度均随时间推进而线性增长;在满足结冰相似准则的情况下,冰形相似性结果良好,无量纲厚度的最大偏差约为10%.