基于POD和Kriging的水滴收集量快速预测方法

数值模拟手段预测翼面处水滴撞击特性通常较为耗时,为快速准确计算结冰条件下的翼面处水滴收集量,提出了基于本征正交分解和代理模型的水滴收集量快速预测方法。首先对FAR 25部附录C中连续最大结冰条件进行优化拉丁超立方采样,通过数值模拟手段获得各采样点在翼面处水滴收集量分布,从而构造样本空间。在此基础上,利用本征正交分解(Proper orthogonal decompostion,POD)方法找到表达和重构水滴收集量的本征模态以及相应的拟合系数。最后,利用Kriging模型建立样本空间中各采样点与拟合系数间的代理模型,实现翼面处水滴收集量分布的快速预测。经多组工况验证表明:该方法可较为准确地预测翼面处水滴收集量分布,其计算成本较数值模拟方法大幅降低,能够为无人机防除冰设计提供有益参考。

结冰面水滴收集率欧拉计算方法研究及应用

发展了一套用欧拉法计算飞机结冰表面水滴收集率的算法。先用CFD方法计算空气场,在获得空气流场分布的基础上,求解水滴相控制方程,进而得到水滴收集率。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。计算了典型条件下圆柱和NACA0012翼型的水滴收集率,得到了与实验或文献一致的结果,初步表明本文发展的有限体积算法以及相应的计算代码是有效的。最后给出了本文方法在三维复杂外形水滴收集率计算中的应用,对三段翼、T型尾翼的水滴收集率进行了计算,获得了相应的分布规律。

大型风力机结冰过程水滴收集率三维计算

针对过冷水滴在风力机表面撞击结冰现象,建立了适合于大型风力机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:采用多参考坐标系(MRF)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1.5MW级水平轴风力机的水滴收集率进行了计算,获得了不同直径水滴在风力机表面的撞击特征以及水滴收集率在叶片上的分布规律,为进行风力机结冰及其防护研究打下了较好基础。计算表明:(1)轮毂上的水滴收集率极小,在进行结冰分析时,可以忽略轮毂结冰的影响;(2)水滴主要撞击在叶片前缘,且叶尖处收集率远比叶根处高。

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。

风力机叶片结冰水滴收集系数计算

针对风力机叶片结冰问题,采用欧拉两相流模型和FLUENT用户自定义函数(user defined function,UDF)计算NACA64618翼型/叶片的水滴收集系数。结果表明:水滴主要撞击在翼型前缘小范围内。随着攻角增大,水滴撞击极限往翼型压力面移动。受三维效应的影响,叶尖区域水滴收集系数急剧减小,减小量最大可达59.6%。

基于水滴收集特征的SLD探头外形参数化设计与仿真研究

面对过冷大水滴(Supercooled large droplet,SLD)结冰环境,行之有效的结冰探测手段是实施规避策略、尽快脱离SLD结冰环境的先决条件。针对一种面向SLD环境探测需求的双碰撞面探头,考虑基于SLD动力学模型,模拟分析探头水滴收集特征进行探头外形参数化设计研究,研究影响探头区分SLD环境的关键几何参数,从而为探头外形设计提供参考依据。对选定的探头外形仿真计算结果表明,在常规水滴条件下,结冰主要发生在探测器的第一碰撞面,第二碰撞面上的结冰厚度很小,与第一碰撞面之间存在明显差异;而在SLD条件下,冰层在第一及第二碰撞面上均有累积。不同直径的水滴撞击到探头不同位置,形成累积特征迥异的结冰形态,验证了探头外形参数化设计方法应用于SLD环境探测的有效性。

三维旋转效应对风力机叶片水滴收集率的影响分析

在进行风力机结冰问题的水滴收集率计算时,三维旋转效应的作用会改变叶片周围空气和水滴的流动,从而大大改变叶片气动性能和表面水滴收集。文章以NREL Phase VI风力机为研究对象,基于欧拉两相流模型对水滴流动及表面撞击特性进行计算,并与准三维计算结果进行比较,分析三维旋转效应对水滴绕流和收集率的影响。分析结果表明:在同一展向位置,三维旋转效应的存在会增加叶片表面最大水滴收集率及吸力面的水滴撞击区域,但对压力面水滴撞击区域的影响不明显;叶片表面的展向流动会将边界层内的水滴沿展向抽出,抑制水滴相流动分离及涡的形成,弦向流动会将主流区的水滴吸入边界层内,增大边界层内水滴的体积分数;三维旋转效应对水滴相流动及水滴收集率的影响在叶根附近较大,沿叶片展向方向的影响逐渐减弱。

一种基于水滴收集量代理模型的结冰试飞空域确定方法

针对自然结冰试飞空域确定时使用的结冰指数只能给出结冰概率和结冰等级的问题,提出一种新的方法。通过对美国联邦航空条例(FAR)25部附录C连续最大结冰条件采样,对采样点进行空气流场和水滴撞击特性求解,获得不同工况的水滴收集量;基于POD(Proper Orthogonal Decomposition)和Kriging构建水滴收集量代理模型;使用WRF(Weather Research and Forecasting)对目标区域进行气象模拟,获得温度以及液态水含量分布;使用代理模型对目标区域内水滴收集量进行预测,以中度结冰强度对目标区域进行划分;最后,针对2种飞行速度对试飞空域的影响进行研究。结果表明:代理模型能够很好地预测温度、液态水含量、水滴中值体积直径、高度以及速度对水滴收集量的影响;WRF获得的目标区域的温度、液态水含量与观测值符合良好;基于代理模型可快速获得目标区域水滴收集量分布及随时间的变化,还可获得适合自然结冰试飞的目标区域及结冰速度;飞行速度的增加使得水滴收集量增加,进而引起试飞空域的变化。本文对结冰试飞空域确定具有一定参考意义。

基于梯度下降的水滴收集率计算方法

拉格朗日方法在计算三维复杂外形的水滴撞击特性时,一般需要通过插值获得物面网格上的水滴收集率,而这一过程容易造成计算结果失真。建立了一种基于梯度下降的水滴收集率计算方法,通过确定撞击物面网格角点的水滴轨迹实现物面网格中心处的水滴收集率计算,避免插值运算。该方法的计算思路如下:根据撞击点到目标点的距离,采用梯度下降法自适应地调控水滴的初始释放位置,使撞击点落在壁面网格角点附近的给定阈值范围内;采用邻点检索算法,快速确定迎风面内所有撞击网格角点的水滴轨迹;基于流管定义,计算出网格中心处的水滴收集率。采用该方法对典型三维外形的水滴收集率进行了计算,并与相关文献结果进行对比。结果显示计算结果与文献数据吻合良好,有效克服了现有技术中因插值导致的结果失真问题,能够为飞机结冰及防除冰技术研究提供参考。

用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机

近年来,摩擦纳米发电机在收集清洁和可再生水能能源领域中逐渐兴起,尽管摩擦纳米发电机具有高电压输出,但其实际应用受到较低输出电流的限制。为此引入叉指电极以提高摩擦纳米发电机的电输出性能。通过对摩擦纳米发电机的PTFE膜厚和电极宽度进行调控,优选出在一定面积内具有最高发电效率的参数。利用多物理场耦合仿真分析摩擦纳米发电机的工作原理,解析电荷转移过程中的电势分布,验证实验结果的有效性。研究发现,当PTFE膜厚为0.08 mm且电极宽度为25 mm时,摩擦纳米发电机具有最佳电输出特性,开路电压和短路电流分别为47.42 V和453 nA。此外,通过模拟实际雨天环境,该摩擦纳米发电机能够驱动至少28个LED灯珠。相关研究成果可为构建用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机提供参考,拓展摩擦纳米发电机用于雨水能量收集的实际应用。

数值模拟过冷水滴撞击翼型表面的收集特性

为了研究过冷水滴撞击翼型表面的收集特性,本文采用欧拉两相流法建立了气流控制方程和水滴运动控制方程,并采用有限体积法对方程进行了求解。为了使水滴体积分数在数值迭代过程中保持为正值,本文在水滴控制方程中引入了一个变量A,使得迭代过程更加平稳。求解水滴控制方程,并得到了翼型表面的水滴收集特性。对过冷水滴撞击翼型表面的收集特性进行了研究,在平均水滴直径不同的情况下,将单尺寸分布与多尺寸分布情况下的局部收集系数进行了对比;发现:局部收集系数在驻点附近比较一致,随着离驻点的距离越来越大,局部收集系数产生偏差;多尺寸分布的水滴撞击极限远大于单尺寸下的计算值。同时本文还讨论了过冷水滴的大小对局部水收集系数和撞击极限的影响,发现平均水滴直径越大,局部水滴收集系数和撞击区域越大。

三维圆柱水滴撞击特性分析

发展了三维欧拉法水滴撞击程序,通过分析其中扩散系数值对结果的影响得出:扩散系数取值为0.001时本文计算结果与文献结果和实验值最接近。通过文献中2个算例进行了验证:三维圆柱算例中本文计算结果与文献中最大水滴收集系数相差3%,撞击极限相差7%;三维圆球算例中最大水滴收集系数相差1%,撞击极限相差6.5%。这表明此方法与文献中结果和实验结果吻合良好。利用欧拉法对三维圆柱的水滴撞击特性进行了数值模拟,分析了圆柱直径、来流速度、水滴直径对三维圆柱水滴撞击的影响。结果表明:相同条件下撞击极限随着圆柱直径增大而增大,最大水滴收集系数随着圆柱直径的增大而减小;撞击极限和最大水滴收集系数随着来流速度的增大而增大;来流速度越大,最大水滴收集系数增加幅度减小;撞击极限和最大水滴收集系数随着水滴直径的增大而增大;水滴直径越大,最大水滴收集系数增加幅度减小。

输电导线结冰数值模拟与影响因素分析

通过建立二维输电导线结冰模型实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热通过Fluent软件计算,采用基于拉格朗日法的离散相模型计算输电导线表面水滴收集系数,利用Fluent的用户自定义函数(user-defined function,UDF)编程求解Messinger热力学模型,计算得到了输电导线表面结冰冰形与结冰厚度。研究中考虑了风速、水滴中值体积直径、温度、空气含水量和风向角等因素对输电导线结冰特性的影响。通过UDF实现导线的强迫振动,着重分析了输电导线振动对结冰特性的影响,得到了振动幅度和振动频率对局部水滴收集系数和结冰冰形的影响规律。

水平轴风力机结冰及其影响计算分析

针对过冷水滴在风力机表面撞击结冰现象,建立适合于计算水平轴风力机结冰过程的三维数值方法。该方法包括计算空气流场的多参考坐标系(MRF)方法、结冰面水滴收集率计算的欧拉方法以及结冰的三维模型及其相应的数值求解算法3部分。采用该方法对某1.5 MW级水平轴风力机结冰进行计算,总结结冰的基本特征,分析结冰对风力机气动特性的影响。研究表明:冰主要结在叶片前缘,从叶尖到叶根,冰越来越薄;轮毂、叶片根部及其附近区域、结冰很微弱,可忽略;在叶尖结明冰的条件下,随着展向位置向叶根移动,冰的外形会逐渐趋向规则,明冰向霜冰转变;结冰对叶片根部附近的压力载荷分布影响不大,但对叶尖附近区域的载荷改变明显。

旋转帽罩结冰相似准则的研究

为了研究航空发动机旋转帽罩结冰相似理论,在静止部件结冰相似准则的基础上,忽略次要因素的影响,建立了一种适用于旋转帽罩的结冰试验相似准则。利用建立的旋转结冰相似准则,通过数值模拟方法,对旋转帽罩缩比前后的水滴收集特性和结冰冰形进行了误差分析,并对此准则的可靠性进行评估。计算结果表明:用建立的相似准则所确定的参数对于全尺寸旋转帽罩转速分别为1kr/min和5kr/min时进行数值模拟。在全尺寸旋转帽罩及其1/2缩比模型上的对应区域得到的水滴收集特性和结冰冰形,误差约为2.7%和5.3%,表明选取缩比参数的方法是可靠的,并且提出的相似准则是有效的,对结冰风洞试验的理论研究和参数选取有一定的参考价值。

基于欧拉方法的旋翼翼型结冰数值模拟及参数影响

从研究二维翼型结冰问题入手,基于水滴流场的概念,采用基于气液两相流的欧拉方法求解水滴流场,得到水滴收集特性,再结合热力学模型数值模拟旋翼翼型结冰过程。通过计算结果和冰风洞试验数据的比较,验证了该方法正确有效。同时研究了气象参数对结冰的影响。基于本文建立的方法,计算分析了飞行速度、平均水滴直径、水滴浓度、温度等不同参数对水滴收集效率、冰型、结冰量、结冰范围的影响,深入地探讨了翼型结冰机理和结冰形成条件,得出气象参数影响特征。

采用欧拉两相流法对翼型表面霜冰的数值模拟

基于欧拉两相流理论提出一种翼型表面霜冰的数值模拟方法.采用同位网格上的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法求解空气控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击,通过求解过冷水滴的控制方程得到翼型表面的水滴收集特性;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,使用积冰法向生长假设生成积冰外形.对NACA0012翼型在0°和4°迎角下的积冰情况进行了研究,冰形预测结果与实验结果一致.通过对结冰翼面的压力分布进行分析,表明积冰对翼型气动性能会产生不利影响.

飞机结冰传感器安装位置确定方法

结冰传感器的安装直接决定了冰的探测效果,在飞机设计阶段往往要耗费巨大的工作量来确定合适结冰传感器安装的位置。本文提出了一种高效确定结冰传感器安装位置的方法,其基本思路是采用数值计算的手段,获得不安装结冰传感器飞机流场的水滴容积分数分布;再根据水滴收集率的定义,得到传感器拟安装区域不同位置的水滴收集率,并与机翼表面的水滴收集率对比;从保证传感器可以起到预警作用的角度出发,进而给出传感器的安装位置。采用该方法对某型民航客机进行了分析,给出了该型飞机适合安装传感器的区域。在此基础上,将传感器加载到对应位置进行数值仿真验证。仿真结果显示:传感器探头处的水滴收集率与不加载传感器时该位置的水滴收集率基本一致,均大于同等条件机翼上的最大水滴收集率,符合飞机的结冰防护需求。本文方法可普遍应用于运输类飞机设计,有效提高结冰防护系统设计的效率。

二元翼型结冰数值模拟研究

对二元翼型前缘结冰数值模拟进行了研究。采用中心有限体积法求解N-S方程;四阶龙格-库塔法求解水滴运动轨迹方程;逐次二分法寻找水滴撞击极限,然后计算局部水滴收集率;分析翼型表面的传质、传热项,建立相应质量、能量方程并迭代求解,得到翼型表面结冰质量;根据角度二分法生成结冰冰形。预测的NACA0012结冰冰形与实验及Lewice模拟结果吻合很好,结冰过程中的特征参数与冰型及相应冰形特征吻合。

MVD对翼型冰形及气动性能影响数值模拟

结冰问题严重威胁现代飞行器的飞行安全。当前,数值模拟结冰过程是一种高效的结冰问题研究方法。本文首先对OAXXX翼型生成六面体计算网格,然后对该翼型的流场、水滴撞击、结冰过程进行了数值模拟研究,重点研究了不同的MVD(平均水滴直径)对于水滴收集效率、冰形的影响,并将不同MVD情况下结冰后的翼型气动特性和结冰前进行了对比。