基于分形理论的翼面复杂冰形表面粗糙度分析

模型表面的结冰外形是结冰风洞试验关注的核心信息,现有研究一般采用冰角高度、冰角角度、驻点冰厚等几何参数对二维冰形进行表征,忽略了冰形表面粗糙程度这一重要特征。针对此问题,提出将分形理论应用于结冰冰形的粗糙度表征,建立了基于分形理论的结冰表面粗糙度表征方法。首先在大型结冰风洞开展翼型结冰试验,采用激光线扫描在线测量系统对结冰生长过程中不同时刻翼面结冰的表面轮廓进行测量,获得翼面结冰的三维数值外形;然后结合分形理论对冰形进行分析,提取翼面不同位置冰的截面轮廓曲线,计算截面曲线的分形维数和粗糙度表征参数,以此归纳出分形维数的线性回归公式,并从截面曲线中提取数据点进行分形插值模拟实测冰形。研究结果表明,翼面结冰冰形粗糙表面具有分形特征;分形维数与粗糙度表征参数呈正相关,可作为冰形表面粗糙度的评定参数;分形插值模拟冰形曲线,逼近程度优异;冰形粗糙度的分形表达法为科学量化三维冰形特征提供了新思路。

基于高精度算法的结冰翼型分离流动数值模拟

CFD在航空航天领域应用广泛,在飞机结冰研究方面也成效斐然。但对于结冰后流场结构分辨、关键气动特性预测等一系列问题,当前主流的模拟方法仍存在数值格式精度低、流场细节捕捉不足的缺陷。针对此问题,提出将高精度格式和雷诺应力模型结合,应用于结冰翼型分离流动模拟研究,并与低阶精度格式、不同湍流模型进行对比。计算结果表明,使用相同湍流模型,高阶格式比低阶格式所预测的气动特性曲线与实验值更吻合,最大升力系数的相对误差更低;使用相同精度格式离散,雷诺应力模型对流场结构,特别是精细结构的分辨率明显优于SA模型和k-ε模型,翼型表面压力分布和分离泡再附点均与实验值吻合良好。对结冰翼型的复杂流场精细模拟,高精度格式结合雷诺应力模型的算法,具有重要的科学研究价值及应用前景。