专利名称：基于液态水分布的结冰表面粗糙度衡量方法
技术领域：
本发明涉及一种飞机结冰数值计算方法，尤其涉及一种基于液态水分布的结冰表面粗糙度衡量方法，属于冰层表面粗糙度评估领域。
背景技术：
在飞机穿越含有过冷水滴的云层时，机翼前缘通常会发生结冰，造成飞机的飞行性能下降。为了保证飞机的飞行安全，并减少试验资源消耗，提高研究效率，必须大力发展飞机结冰数值模拟技术。而在结冰数值计算中，需要模拟冰层随时间的增长过程，因此就涉及到每个时间步长上冰层表面的粗糙程度衡量问题，即每个时间步长后都必须根据当前时刻表面积冰情 况更新粗糙度，合理衡量积冰对气流压力系数和水滴收集系数的影响，以及对冰层、过冷水及空气三相的传热传质产生的影响。目前常规的结冰表面粗糙度衡量方法是等效沙粒粗糙高度模型，即把冰层表面的粗糙程度等效为等直径排列的沙粒，计算得出常数粗糙度值，在计算过程中表面冰层外推后，不再进行粗糙度更新，整个结冰计算中采用该常数作为冰层的粗糙度值。这种方法没有把结冰粗糙度表达为空间和时间的函数，无法表达出冰层不断形成及模型不同位置上粗糙度的差异，因此结冰计算的误差较大。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，而提出一种基于液态水分布的结冰表面粗糙度衡量方法，以实现结冰过程中冰层表面粗糙度的实时更新。该方法的内容如下根据控制体的质量守恒原理获得结冰表面的水膜高度hw，根据受力平衡模型，确定水膜发生破断的临界水膜高度hfi
「 I , r6·/^2 ·σ· (I-CosS)1^hf—r = [―^——--]3当hw > hf_r时,水膜连续,粗糙度ks等于水膜表面波高,即:ks =0.75· —· I—；
Mw \ g当hw < hf_r时，水膜破断形成溪流，粗糙度ks等于当地溪流高度，即ks =R(l_cos θ )；以上公式中yw为水动力粘度，O为水膜表面张力，Θ为水在冰面上的接触角，P w为水密度，τ a为水膜受到的气流剪切应力，g为重力加速度，R为溪流半径。技术效果本方法可在每个时间步长上对冰层表面的粗糙度进行更新，很好地解决了结冰计算中冰层表面粗糙程度的衡量问题，使得冰层表面粗糙度评估更接近实际结冰过程，为提高后续结冰传热传质和冰形的模拟精度奠定了基础。
图I为结冰表面水膜流动示意图，图中字母含义g表示重力加速度，gs表示重力加速度沿表面切线方向的分量，gy表示重力加速度沿表面法线方向的分量，Pa表示气流作用于水膜表面的压强，Ta(S)表示气流作用于水膜表面的剪切应力，u(s，y)表示水膜内速度分布，hj表冰层厚度，hw表水膜厚度。图2为水膜破断过程示意图，图中dz表示展向微元长度。图3为水膜破断位置受力分析示意图，图中字母含义Θ为水在冰面上的接触角，Fp为上游动能转化成的水膜破断位置的压力，F"、F02为水膜破断位置弧形轮廓线上所受的表面张力。图4为溪流模型示意图，图中字母含义Θ为水在冰面上的接触角，R为溪流半径，X为溪流间距。图5为结冰模拟计算结果对比图。
具体实施例方式下面对本发明作进一步说明。结冰表面粗糙度是由表面的结冰过程所诱导产生的，根据试验现象，在结冰气象条件下机翼结冰表面存在一层薄水膜，如图I所示。由于水膜在向下游流动的过程中不断与气流及冰层之间发生热质交换，其高度会不断减小，当其高度达到临界高度时，水膜破断形成溪流，如图2所示。因此，本方法针对结冰表面不同的液态水分布状态，建立分区的粗糙度模型，具体内容如下根据控制体的质量守恒原理获得机翼结冰表面任意处的水膜高度hw，根据受力平
衡模型，确定水膜发生破断的临界水膜高度hf_p水膜破断位置的受力分析如图3所示。
权利要求
1.ー种基于液态水分布的结冰表面粗糙度衡量方法，其特征在于 该方法的内容如下 根据控制体的质量守恒原理获得结冰表面的水膜高度hw，根据受カ平衡模型，确定水膜发生破断的临界水膜高度hfi
全文摘要
本发明公开了一种基于液态水分布的结冰表面粗糙度衡量方法，属于冰层表面粗糙度评估领域。该方法是针对结冰表面不同的液态水分布状态，建立分区的粗糙度模型，即把结冰表面的水膜高度与水膜发生破断的临界水膜高度进行比较，当前者较大时，粗糙度等于水膜表面波高，当后者较大时，粗糙度等于水膜破断形成的溪流高度。本方法在每个时间步长上都根据实际冰层表面液态水特征更新粗糙度值，使粗糙度评估更接近实际的结冰过程。
文档编号G06F19/00GK102663238SQ20121007588
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者孙志国, 朱春玲, 檀妹静 申请人:南京航空航天大学