一种冰形相似度量化评估方法

一种冰形相似度量化评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种冰形相似度评估方法，目的在于解决在结冰风洞试验过程中，对冰形相似度的判定通常采用定性比较的方式，缺乏相应的定量评估方法的问题。本发明提供了一种基于几何特征量、冰形差异率的冰形相似度量化评估方法，并提供了评估方法中的各分量的具体物理含义和计算方法。本发明能有效解决现阶段结冰风洞试验中对冰形相似度的评估采用定性方法的缺陷，采用本发明对冰形进行相似度定量评估，可为结冰风洞的调试、冰风洞实验结果的简化处理、冰风洞试验精度的评估、不同试验参数对冰形的影响规律研究等提供技术支撑，有较好的工程应用价值。
【专利说明】
-种冰形相似度量化评估方法
技术领域
[0001] 本发明设及航空领域，具体为一种冰形相似度量化评估方法。本发明能够直接应 用于结冰风桐试验，为结冰风桐的调试、冰风桐实验结果的简化处理、冰风桐试验精度的评 估、不同试验参数对冰形的影响规律研究等提供技术支撑，具有较高的应用价值。
【背景技术】
[0002] 飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时，可能遭遇结冰现象。结冰是飞行安全的主 要隐患之一，轻则使飞机的安全飞行范围减小，重则导致机毁人亡的严重事故发生。冰形作 为结冰对飞机安全影响研究的输入条件，其也是防/除冰研究的依据和基础。
[0003] 目前，冰风桐试验是获得冰形的主要手段之一。由于结冰问题极其复杂，很难精确 控制结冰风桐的输入参数，往往针对同一状态的两个试验也会得到不一样的冰形。因此，需 要对比不同试验所得到冰形的相似性，W及试验与计算结果的相似性。另外，对于冰形沿着 机翼展向变化规律、不同参数对冰形的影响规律等问题的研究，也都需要对不同冰形进行 相似度对比。
[0004] 现阶段，对于两个冰形相似度的评估通常只能采取一些定性的方法，还没有能应 用于实际工程的冰形相似度量化评估方法。美国格林研究中屯、开展了一些研究，其采用百 分比差异方法对冰形基本的几何特征量进行简单比较，该项工作目前还处于初步探索阶 段，所提出的方法仅仅能够体现冰形在宏观上的差异，几个特征量本身还存在一些相互矛 盾之处。
[0005] 国内在飞机结冰领域的研究起步较晚，用于生产试验的大型结冰风桐才刚刚建 成;虽然在武汉、绵阳、沈阳等地有几座小型结冰风桐，但配套的测试设备、试验技术和理论 尚需完善。从能公开查阅到的资料显示，目前对结冰风桐试验数据修正理论和方法W及与 之紧密相关的冰形相似度评估方法的研究，在国内尚属空白。
[0006] 综上所述，目前在结冰风桐试验过程中，对冰形相似度的判定通常采用定性比较 的方法，国内缺乏运方面的技术和方法，而国外也刚刚开始设及此方面的研究，也没有较好 的冰形相似度的定量评估方法。

【发明内容】

[0007] 本发明的发明目的在于:针对在结冰风桐试验过程中，对冰形相似度的判定通常 采用定性比较的方式，缺乏相应的定量评估方法的问题，提供一种冰形相似度量化评估方 法。本发明提供了一种基于几何特征量、冰形差异率的冰形相似度量化评估方法，并提供了 评估方法中的各分量的具体物理含义和计算方法。本发明能有效解决现阶段结冰风桐试验 中对冰形相似度的评估采用定性方法的缺陷，采用本发明对冰形进行相似度定量评估，可 为结冰风桐的调试、冰风桐实验结果的简化处理、冰风桐试验精度的评估、不同试验参数对 冰形的影响规律研究等提供技术支撑，有较好的工程应用价值。
[000引为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] -种冰形相似度量化评估方法，包括如下步骤：
[0010] (1)在物面上结冰，确定结冰的冰型为流线型或角状型；
[0011] (2)若步骤(1)的冰型为角状型冰，则执行步骤(3)，若步骤（1)的冰型为流线型冰， 则执行步骤(4);
[0012] (3)测定角状型冰的上冰角长度化、下冰角长度H1、上冰角角度Au、下冰角角度AU 驻点厚度Ts、冰宽度最大宽度Wm、上极限Su、下极限Sl八个特征量，运八个特征量的测定步 骤如下：
[0013] 第一步，W角状型冰的前缘处为分界线，将角状型冰的二维冰形分为上端部分、下 端部分；
[0014] 第二步，沿角状型冰二维冰形的上、下表面分别捜索冰型离物面最远的点，角状型 冰上端部分距离物面最远的点即为上冰角点，角状型冰下端部分距离物面最远的点即为下 冰角点，上冰角点、下冰角点到物面的距离分别为上冰角长度化、下冰角长度Hl，上冰角点 到物面距离所在直线与水平线的夹角为上冰角角度Au,下冰角点到物面距离所在直线与水 平线的夹角为下冰角角度Al;
[0015] 第=步，在角状型冰上捜索上冰角点、下冰角点之间距离物面最近的点，该点即为 驻点，驻点厚度为Ts;
[0016] 第四步，根据带冰翼型数据和初始物面数据进行捜索，不重合的部分即为冰形区 域，冰形区域的上临界点、下临界点分别为冰形上极限点、下极限点，上极限点离驻点的长 度为上极限Su,下极限点离驻点的长度为下极限SI;
[0017] 第五步，捜索角状型冰二维冰形沿竖直方向的上、下极限，两者的差值即为冰宽度 最大宽度Wm，然后执行步骤5;
[0018] (4)测定流线型冰的驻点厚度Ts、最大宽度肺1、极限宽度Wi、上极限Su、下极限Sl五 个特征量，运五个特征量的测定步骤如下：
[0019] 步骤a,在流线型冰上捜索距离物面最远的点，该点距离物面的距离即为驻点厚度 Ts，对应在物面上离该点最近的点即为驻点；
[0020] 步骤b，在流线型冰二维冰形上，从驻点沿冰型往上捜索横坐标大于流线型冰前缘 坐标的方向，找到竖直方向坐标最大的点A;从驻点沿冰型往下捜索横坐标大于流线型冰前 缘坐标的方向，找到竖直方向坐标最小的点B;点A和点B在竖直方向的距离即为最大宽度 Wm;
[0021] 步骤C，根据带冰翼型数据和初始物面数据进行捜索，不重合的部分即为冰形区 域，冰形区域的上临界点、下临界点分别为冰形上极限点、下极限点，上极限点离驻点的长 度为上极限Su,下极限点离驻点的长度为下极限SI;
[0022] 步骤d，上极限点、下极限点在竖直方向的差值即为极限宽度Wi,然后执行步骤5;
[0023] (5)按照如下公式(1)计算各特征的百分比差异率：
[0024]
(1)，
[0025] 式（1)中，Xi为冰形特征，下标R代表参考冰形，下标S代表对比冰形;对于角状冰，i 的取值范围为1~8;对于流线型冰，i的取值范围为1~5;
[0026] 根据式(1)的结果，按照如下公式(2)求取平均百分比差异：
[0027]
化)，：
[0028] 式(2)中，N为特征的数量；
[0029] 根据式(2)的结果，按照如下公式(3)求取特征量相似度Dia:
[0030]
(3)。
[0031 ]所述步骤1中，采用观察方式，确定冰型为流线型或角状型。
[0032] 所述第二步中，沿角状型冰二维冰形的上、下表面分别捜索冰形离物面最远的点， 捜索过程中对冰形每一个单元段进行内插值，分别计算各点离物面的距离。
[0033] 所述第a步中，采用差值法捜索距离物面最远的点。
[0034] 还包括如下步骤：
[0035] (6)采用两个冰形面积不重叠面积之和与其两个冰形平均面积之比，计算求解冰 形差异率；
[0036] (7)通过如下公式(5)计算冰形相似度化r:
[0037] Par = Ti XDia+r2 X (I-Rat) (5)，
[003引式巧）中，Par为冰形相似度，Dia为冰形特征量相似率，rij2为加权因子，ri为0-1， T2为0-1，：Tl+r2 = 100%。
[0039] 所述步骤(6)，通过射线法分别求取两个冰形面积不重叠面积之和、冰形面积。
[0040] 所述步骤(6)中，求解冰形差异率的过程如下：
[0041] 步骤e，从封闭曲线外一个点向某个方向延伸出一条射线，从起点开始计算，当射 线与封闭曲线有交点，且该交点的顺序数为奇数时，射线开始进入到封闭曲线内，当射线与 封闭曲线有交点，且该交点的顺序数为偶数时，射线开始离开封闭曲线；
[0042] 步骤f，分别取点化、〇2点沿水平正方向作射线，点化与两个冰形依次相交的点分别 记为:41、81、扣、〇1，点〇1与两个冰形依次相交的点分别记为:42、82心、〇2，其中，81(：瓜8281区 域属于A冰形，A1D1D2A2A1属于B冰形，A巧巧2A2Ai、CiDiD2C2Ci两个区域分别属于A冰形、8冰形的 不重叠部分;沿竖直方向覆盖两个冰形的范围，每间隔Ay向水平正方向作射线，Ay取一个 足够小的量，采用积分方法分别得到A冰形、B冰形W及他们不重叠部分的面积；
[0043] 步骤g，采用如下公式(4)计算冰形差异率Rat:
[0044] Rat = SdifZSave (4)，
[0045] 式(4)中，Rat为冰形差异率，Sdif两个冰形的不重叠部分面积，Save两个冰形的平均 面积。
[0046] 针对前述问题，本发明提供一种冰形相似度量化评估方法，该方法包括如下步骤。
[0047] 步骤（1)，通过观察就能直接得到冰形属于流线型冰还是角状型冰。由于空气含水 量和过冷水滴溫度的不同、冻结过程中释放潜热排走的快慢不同，冻结过程形成的冰层在 结构、强度、外观上有较大差异，飞机飞行过程中的冰的外形轮廓大体上可W分为流线型冰 型和角状型冰型两大类型，分别如图1、图2所示。冰形相似度量化评估首先要确定冰形属于 哪一种类型，通过观察就能直接得到。
[0048] 步骤(2)，本发明采用几何特征量的方法描述冰形的宏观轮廓，若冰形属于角状 型，则执行步骤(3)，若冰形属于流线型则执行步骤(4)。
[0049] 步骤(3)，角状型采用八个特征量进行描述，分别为驻点厚度Ts、冰宽度最大宽度 Wm、冰角特征(冰角特征包括上冰角长度化、下冰角长度HI、上冰角角度Au、下冰角角度Al)、 结冰特征(结冰极限特征包括上极限Su和下极限SI),如图3所示，运八个特征量采用如下方 法得到。
[0050] 第一步，针对典型冰形，W翼型前缘处为分界线，将二维冰形分为上、下两部分，即 上端部分和下端部分。
[0051] 第二步，沿上下表面分别捜索冰形离物面最远的点，捜索过程中对冰形每一个单 元段进行内插值，分别计算各点离物面的距离。运两个点即为上下冰角点，其距离分别即为 上、下冰角的长度化U和Hl)，上下冰角的角度(Au和Al)。
[0052] 第=步，捜索两个冰角点之间离物面最近处的点，该点即为驻点，驻点厚度为Ts。
[0053] 第四步，根据带冰翼型数据（即在物面上结角状型冰的翼型数据)和初始翼型数据 (即物面上未结冰的翼型数据)进行捜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上下临界 点为冰形上下极限点，上下极限点离驻点的长度分别记为上极限Su和下极限S1。
[0054] 第五步，捜索冰形沿Y坐标的上下极限，其差值即为冰宽度最大宽度Wm,然后执行 步骤(5)。
[0055] 步骤(4)，流线型冰采用五个特征量进行描述，分别为驻点厚度Ts、冰宽度特征(冰 宽度特征包括最大宽度Wm和极限宽度Wi)、结冰极限特征(结冰极限特征上极限Su和下极限 Sl)五个特征量，如图3所示，运五个特征量采用如下方法得到。
[0056] 步骤a,捜索冰形离物面最远的点，捜索过程中对冰形每一个单元段进行内插值， 分别计算各点离物面的距离，运个点对应的距离即为驻点厚度Ts,对应在机翼上离该点最 近距离的点即为驻点。
[0057] 步骤b，从驻点沿冰形往上捜索到X坐标（即横坐标)大于翼型前缘坐标，找到竖直 方向坐标(Y向）最大的点，记为点A;从驻点沿冰形往下捜索到X坐标大于翼型前缘坐标，找 到竖直方向坐标最小的点，记为点B;点A和点B在Y向（即竖直方向）的距离即为最大宽度Wm。
[0058] 步骤C，根据带冰翼型数据（即在物面上结角状型冰的翼型数据)和初始翼型数据 (即物面上未结冰的翼型数据)进行捜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上下临界 点为冰形上下极限点，上下极限点离驻点的长度分别记为上极限Su和下极限S1。
[0059] 步骤d，上下极限点在Y方向（即竖直方向）的差值即为Wi,然后执行步骤5。
[0060] 步骤(5)，根据W上结冰外形几特征参数（即步骤3、步骤4的结果），按照百分比差 异的概念用于对比两种结冰外形的相似度，各特征量的百分比差异率按公式(1)计算。
[0061 ]
…，
[0062] 式（1)中，Xi为冰形特征，下标R代表参考冰形，下标S代表对比冰形;对于角状冰，i 的取值范围为1~8;对于流线型冰，i的取值范围为1~5。
[0063] 根据式（1)将得到5个(流线型冰)或者8个（角状冰)数据（即百分比差异率），按照 公式（2)求取平挽巧分比差择：
[0064]
山
[0065] 式(2)中，N为特征的数量(流线型冰中，N为5;针对角状冰，N为8);
[0066] 根据式(2)的结果，按照如下公式(3)求取特征量相似度Dia:
[0067]
[0068] 通过前述步骤，可W计算出冰型的特征量相似度，依据特征量相似度，定量评估冰 形相似度。
[0069] 然而，特征量相似度虽然能从冰形的宏观几何特征上来表征冰形之间的相似度， 但冰形细节之间的差异同样对周围流动有着扰动作用。冰形细节之间的差异通过不同冰形 之间的形位误差来体现，冰形差异率为两个冰形所有不重叠面积之和与其两个冰形平均面 积之比。如图5所示，A冰形与B冰形的冰形差异率为阴影部分面积与A、B曲线所包含的平均 面积之比，本发明通过数值积分求解封闭曲线面积的方法计算冰形差异率。
[0070] 求解冰形差异率的步骤如下。
[0071] 步骤e，通过一种射线法来判断线段、点与封闭曲线的关系，从封闭曲线外一个点 向某个方向延伸出一条射线，从起点开始计算，当射线与封闭曲线有交点，且该交点的顺序 数为奇数时，射线开始进入到封闭曲线内，当射线与封闭曲线有交点，且该交点的顺序数为 偶数时，射线开始离开封闭曲线。
[0072] 步骤f，从远处〇1、〇2点沿X轴正方向作射线，由射线法可知，图中A1B1B2A2A1和 C1D1D2C2C1两个区域属于两个冰形的不重叠部分，B1C1C2B2B1区域属于A冰形，A1D1D2A2A1属于B 冰形。沿着Y方向覆盖两个冰形的范围，每间隔Ay向X轴正方向作射线，Ay取一个足够小的 量，采用积分方法可分别得到A、B冰形W及他们不重叠部分的面积。
[0073] 步骤g，由定义Rat = Sdif/Save求得冰形差异率，其中Rat为冰形差异率，Sdif两个冰 形的不重叠部分面积，Save两个冰形的平均面积。
[0074] (7)特征量相似率、冰形差异率运两个量可W联合表征两个冰形之间的相似度，其 中特征量相似率主要描述冰形之间的宏观几何特征的相似度，冰形差异率主要表征的是两 个冰形细节之间的差异率。
[0075] 判断冰形相似度需要综合考虑运两个量，通过加权计算的方法，可W得到冰形相 似度的计算公式：；
[0076] Par = Ti XDia+r2 X (1-Rat),
[0077] 其中，ri+r2 = 100%;
[0078] 其中，Par为冰形相似度，Dia为冰形特征量相似率，ri、n为加权因子，可W取为0-1 之间，其和为1。
[0079] 作为最佳方案，冰形相似度的量化评估由特征量相似率、冰形差异率两个量加权 计算得到，ri、n为加权因子，可W取为0-1之间，其和为1。
[0080] 综上，现有飞机结冰研究和结冰风桐试验过程中，对不同冰形不能进行量化的相 似度评估，仅仅只能定性的评估相似性好、坏，而本发明提供了一种基于几何特征量、冰形 差异率的冰形相似度量化评估方法，并提供了运种评估方法中的各分量的具体物理含义和 计算方法。
【申请人】通过研究飞机结冰形成冰形的典型特征，W冰对飞行器气动特性的影响 为依据，提供了 一种基于几何特征量、冰形差异率的冰形相似度量化评估方法，可解决现阶 段结冰风桐试验中对冰形相似度的评估采用定性方法的缺陷。采用本方法对冰形进行相似 度定量评估，可为飞机结冰研究、结冰风桐的调试、冰风桐实验结果的简化处理、冰风桐试 验精度的评估、不同试验参数对冰形的影响规律研究等提供技术支撑，有较好的工程应用 价值。
【附图说明】
[0081 ]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0082] 图1为典型流线型冰型的示意图。
[0083] 图2为典型角状型冰型的示意图。
[0084] 图3为角状型冰各特征量的测定图。
[0085] 图4为流线型冰各特征量的测定图。
[0086] 图5为冰形差异率示意图。
[0087] 图6为冰形面积求解示意图。
[008引图7为典型冰形对比一(相似度69% )。
[0089] 图8为典型冰形对比二(相似度71 % )。
[0090] 图9为典型冰形对比S(相似度88% )。
[0091] 图10为典型冰形对比四（相似度91 % )。
[0092] 图11为典型冰形对比五(相似度93% )。
[0093] 图12为典型冰形对比六(相似度95% )。
[0094] 图13为典型冰形对比屯(相似度98% )。
[0095] 图14为相对变化量与冰形相似度的关系。
【具体实施方式】
[0096] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤W外，均可W W任何方式组合。
[0097] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加 W替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。
[009引实施例
[0099] 流线型冰和角状冰的量化评估时，除了流线型冰特征量数量较少外，方法上是完 全相同的，W更为复杂角状冰为例，针对图7到图13中的不同组冰形，分别采用所提供的方 法得到对应的冰形相似度，具体流程如下。
[0100] (1)显然，运7组冰形均为复杂的角状冰。
[0101] (2)采用几何特征量的方法描述冰形的宏观轮廓，角状型采用八个特征量进行描 述，分别为驻点厚度Ts、冰宽度最大宽度怖1、上冰角长度化、下冰角长度H1、上冰角角度Au、 下冰角角度A1、上极限Su、下极限SI,如图3所示。其中，上冰角长度化、下冰角长度HI、上冰 角角度Au、下冰角角度Al为冰角特征;上极限Su、下极限Sl为结冰极限特征。运八个特征量 采用如下方法得到。
[0102] 第一步，针对典型冰形，W角状型冰翼型前缘处为分界线，将二维冰形分为上下两 部分。
[0103] 第二步，沿二维冰形上表面、下表面分别捜索冰形离物面最远的点，捜索过程中对 冰形每一个单元段进行内插值，分别计算各点离物面的距离。角状型冰上端部分距离物面 最远的点即为上冰角点，角状型冰下端部分距离物面最远的点即为下冰角点，上冰角点、下 冰角点到物面的距离分别为上冰角长度化、下冰角长度HI,上冰角点到物面距离所在直线 与水平线的夹角为上冰角角度Au,下冰角点到物面距离所在直线与水平线的夹角为下冰角 角度A1。
[0104] 第=步，在角状型冰上捜索两个冰角点之间离物面最近处的点，该点即为驻点，驻 点厚度为Ts。
[0105] 第四步，根据带冰翼型数据和初始翼型数据进行捜索，不重合的部分即为冰形区 域，冰形区域上临界点、下临界点分别为冰形上极限点、下极限点，上极限点、下极限点离驻 点的长度分别记为上极限Su和下极限S1。
[0106] 第五步，捜索冰形沿Y坐标的上、下极限，其差值即为冰宽度最大宽度Wm。
[0107] (3)根据W上结冰外形几特征参数，按照百分比差异的概念用于对比两种结冰外 形的相似度，各特征量的百分比差异率按公式(1)计算。
[010 引
（]->
[0109] 其中，Xi为冰形几何特征，下标R代表参考冰形，下标S代表对比冰形。对于流线型 冰，i的取值范围为1~5。本实施例为角状冰，i的取值范围为1~8。
[0110] 根据式（1)将得到8个(角状冰)数据(若为流线型冰，则为5个），根据八个百分比差 异率，按照公式（2)求取平均百分比差异。
[0111]
(2)
[0112] 式(2)中，N为 8。
[0113] 根据式(2)的结果，按照如下公式(3)求取特征量相似度Dia:
[0114] 特征量相似度为：D/" = 1 -?,。
[0115] 采用上述方法，可W得到图7中的运组冰形的几何特征相似度为66.5%，图8中的 运组冰形的几何特征相似度为71.7 %，图9中的运组冰形的几何特征相似度为87.5 %，图10 中的运组冰形的几何特征相似度为91.5%，图11中的运组冰形的几何特征相似度为 92.3 %，图12中的运组冰形的几何特征相似度为94.4 %，图13中的运组冰形的几何特征相 似度为97.7%。
[0116] (4)特征量相似度只能从冰形的宏观几何特征上来表征冰形之间的相似度，而冰 形细节之间的差异同样对周围流动有着扰动作用。冰形细节之间的差异通过不同冰形之间 的形位误差来体现，冰形差异率为两个冰形所有不重叠面积之和与其两个冰形平均面积之 比。如图5所示，A冰形与B冰形的冰形差异率为阴影部分面积与A、B曲线所包含的平均面积 之比，冰形差异率可W采用数值积分求解封闭曲线面积的方法。如图6所示，其步骤如下。
[0117] 第一步，通过一种射线法来判断线段、点与封闭曲线的关系，从封闭曲线外一个点 向某个方向延伸出一条射线，从起点开始计算，当射线与封闭曲线有交点，且该交点的顺序 数为奇数时，射线开始进入到封闭曲线内，当射线与封闭曲线有交点，且该交点的顺序数为 偶数时，射线开始离开封闭曲线。
[0118] 第二步，从远处化、〇2点沿X轴正方向作射线，由射线法可知，图中A1B1B2A2A1和 C1D1D2C2C1两个区域属于两个冰形的不重叠部分，B1C1C2B2B1区域属于A冰形，A1D1D2A2A1属于B 冰形。沿着Y方向覆盖两个冰形的范围，每间隔Ay向X轴正方向作射线，Ay取一个足够小的 量，采用积分方法可分别得到A、B冰形W及他们不重叠部分的面积。
[0119] 第S步，由定义Rat = Sdif/Save求得冰形差异率，其中Rat为冰形差异率，Sdif两个冰 形的不重叠部分面积，Save两个冰形的平均面积。
[0120] 按照射线法可W得到：图7中的运组冰形的冰形差异率为74.7 %，图8中的运组冰 形的冰形差异率为68.8%，图9中的运组冰形的冰形差异率为89.1%，图10中的运组冰形的 冰形差异率为89.7 %，图11中的运组冰形的冰形差异率为93.7%，图12中的运组冰形的冰 形差异率为96.5%，图13中的运组冰形的冰形差异率为99.1 %。
[0121] (5)特征量相似率、冰形差异率运两个量可W联合表征两个冰形之间的相似度，其 中特征量相似率主要描述冰形之间的宏观几何特征的相似度，冰形差异率主要表征的是两 个冰形细节之间的差异率。判断冰形相似度需要综合考虑运两个量，通过加权计算的方法， 可W得到冰形相似度的计算公式：
[0122] Par = Ti XDia+r2 X (1-Rat)；
[0123] 其中，Par为冰形相似度，Dia为冰形特征量相似率，ri、n为加权因子，可W取为0-1 之间，：Ti+r2 = 100%。
[0124] 本实施例中，取rl = 0.7，r2 = 0.3，取精度到个位数。可W得到：图7中的运组冰形 的相似度为69%，图8中的运组冰形的相似度为71%，图9中的运组冰形的相似度为88%，图 10中的运组冰形的相似度为91%，图11中的运组冰形的相似度为93%，图12中的运组冰形 的相似度为95%，图13中的运组冰形的相似度为98%。
[0125] (6)相似度量化评估方法正确性的检验
[0126] 上述得到的各组冰形相似度是否合理，可W通过气动性能分析的方法进行进一步 检验。
[0127] 结冰风桐试验得到结冰外形的目的是为了评估结冰对气动特性、飞行特性的影 响，结冰外形相似量化评估方法也应该从冰对气动力影响程度的层面进行检验，相似度约 接近的冰对气动力的影响应该越接近。本算例中采用C抑方法进行验证(可采用专业软件或 Fluent等通用商业软件，本算例中采用中国空气动力研究与发展中屯、自主研发的风雷软 件)。
[0128] Beta为升力、阻力的相对影响度，分别为两个冰块对飞行器升力、阻力的影响量的 差异与其平均影响量之比，相对影响度越小冰形越相似。从图14可看出，相似度越高的冰 块，升力和阻力的相对影响度都越小，对飞行器的气动性能影响也就越相似，运个结果验证 了本发明所提出冰形相似度量化评估方法的正确性。
[0129] 实际应用结果表明，本发明可W用于解决现阶段结冰风桐试验中对冰形相似度的 评估采用定性方法的缺陷，采用本方法对冰形进行相似度定量评估，可为结冰风桐的调试、 冰风桐实验结果的简化处理、冰风桐试验精度的评估、不同试验参数对冰形的影响规律研 究等提供技术支撑，有较好的工程应用价值，对飞行器结冰条件下的安全飞行方面的研究 具有显著的借鉴意义。
[0130] 本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，W及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1. 一种冰形相似度评估方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 在物面上结冰，确定结冰的冰型为流线型或角状型； (2) 若步骤（1)的冰型为角状型冰，则执行步骤(3)，若步骤（1)的冰型为流线型冰，则执 行步骤(4); (3) 测定角状型冰的上冰角长度Hu、下冰角长度H1、上冰角角度Au、下冰角角度A1、驻点 厚度Ts、冰宽度最大宽度Wm、上极限Su、下极限S1八个特征量，这八个特征量的测定步骤如 下： 第一步，以角状型冰的前缘处为分界线，将角状型冰的二维冰形分为上端部分、下端部 分； 第二步，沿角状型冰二维冰形的上、下表面分别搜索冰型离物面最远的点，角状型冰上 端部分距离物面最远的点即为上冰角点，角状型冰下端部分距离物面最远的点即为下冰角 点，上冰角点、下冰角点到物面的距离分别为上冰角长度Hu、下冰角长度H1，上冰角点到物 面距离所在直线与水平线的夹角为上冰角角度Au，下冰角点到物面距离所在直线与水平线 的夹角为下冰角角度A1; 第三步，在角状型冰上搜索上冰角点、下冰角点之间距离物面最近的点，该点即为驻 点，驻点厚度为Ts; 第四步，根据带冰翼型数据和初始物面数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰 形区域的上临界点、下临界点分别为冰形上极限点、下极限点，上极限点离驻点的长度为上 极限Su，下极限点离驻点的长度为下极限S1; 第五步，搜索角状型冰二维冰形沿竖直方向的上、下极限，两者的差值即为冰宽度最大 宽度Wm，然后执行步骤5; (4) 测定流线型冰的驻点厚度Ts、最大宽度Wm、极限宽度Wi、上极限Su、下极限S1五个特 征量，这五个特征量的测定步骤如下： 步骤a，在流线型冰上搜索距离物面最远的点，该点距离物面的距离即为驻点厚度Ts， 对应在物面上离该点最近的点即为驻点； 步骤b，在流线型冰二维冰形上，从驻点沿冰型往上搜索横坐标大于流线型冰前缘坐标 的方向，找到竖直方向坐标最大的点A;从驻点沿冰型往下搜索横坐标大于流线型冰前缘坐 标的方向，找到竖直方向坐标最小的点B;点A和点B在竖直方向的距离即为最大宽度Wm; 步骤c，根据带冰翼型数据和初始物面数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰 形区域的上临界点、下临界点分别为冰形上极限点、下极限点，上极限点离驻点的长度为上 极限Su，下极限点离驻点的长度为下极限S1; 步骤d，上极限点、下极限点在竖直方向的差值即为极限宽度Wi，然后执行步骤5; (5) 按照如下公式(1)计算各特征的百分比差异率：式（1)中，Χ:为冰形特征，下标R代表参考冰形，下标S代表对比冰形;对于角状冰，i的取 值范围为1~8;对于流线型冰，i的取值范围为1~5; 根据式(1)的结果，按照如下公式(2)求取平均百分比差异：式(2)中，N为特征的数量； 根据式(2)的结果，按照如下公式(3)求取特征量相似度Dia: I 12. 根据权利要求1所述冰形相似度评估方法，其特征在于，所述步骤1中，采用观察方 式，确定冰型为流线型或角状型。3. 根据权利要求1或2所述冰形相似度评估方法，其特征在于，所述第二步中，沿角状型 冰二维冰形的上、下表面分别搜索冰形离物面最远的点，搜索过程中对冰形每一个单元段 进行内插值，分别计算各点离物面的距离。4. 根据权利要求1~3任一项所述冰形相似度评估方法，其特征在于，所述第a步中，采 用差值法搜索距离物面最远的点。5. 根据权利要求1~4任一项所述冰形相似度评估方法，其特征在于，还包括如下步骤： (6) 采用两个冰形面积不重叠面积之和与其两个冰形平均面积之比，计算求解冰形差 异率； (7) 通过如下公式(5)计算冰形相似度Par: Par = ri XDia+r2 X (1-Rat) (5)， 式(5)中，Par为冰形相似度，Dia为冰形特征量相似率，ri、r2为加权因子，ri为〇-l，r2为 〇-1 ?π+Γ2 = 100% 〇6. 根据权利要求5所述冰形相似度评估方法，其特征在于，所述步骤(6)，通过射线法分 别求取两个冰形面积不重叠面积之和、冰形面积。7. 根据权利要求5所述冰形相似度评估方法，其特征在于，所述步骤(6)中，求解冰形差 异率的过程如下： 步骤e，从封闭曲线外一个点向某个方向延伸出一条射线，从起点开始计算，当射线与 封闭曲线有交点，且该交点的顺序数为奇数时，射线开始进入到封闭曲线内，当射线与封闭 曲线有交点，且该交点的顺序数为偶数时，射线开始离开封闭曲线； 步骤f，分别取点0^02点沿水平正方向作射线，点Ch与两个冰形依次相交的点分别记 为:厶1、81、(：1、01，点0 1与两个冰形依次相交的点分别记为42、82、(：2、0 2，其中，81(：1(：出出1区域 属于A冰形，AiDiDMA属于B冰形，两个区域分别属于A冰形、B冰形的不 重叠部分;沿竖直方向覆盖两个冰形的范围，每间隔△ y向水平正方向作射线，△ y取一个足 够小的量，采用积分方法分别得到A冰形、B冰形以及他们不重叠部分的面积； 步骤g，采用如下公式(4)计算冰形差异率Rat: Rat = Sdif / Save (4)， 式（4)中，Rat为冰形差异率，Sdlf两个冰形的不重叠部分面积，S_两个冰形的平均面 积。
【文档编号】G06T7/00GK105957055SQ201610247959
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】周志宏, 易贤, 车竞, 桂业伟, 郭民
【申请人】空气动力学国家重点实验室