飛機(jī)結(jié)冰數(shù)值計(jì)算與冰風(fēng)洞部件設(shè)計(jì)研究.pdf

1、飛機(jī)在含有過冷水滴的云層中飛行時(shí)將會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，飛機(jī)結(jié)冰對(duì)其安全飛行帶來嚴(yán)重威脅，近年來因?yàn)轱w機(jī)結(jié)冰引發(fā)的航空事故并不少見。目前，國內(nèi)由于缺乏支撐試驗(yàn)的大型結(jié)冰風(fēng)洞(正在建設(shè)中)，因此本文研究重點(diǎn)研究了結(jié)冰數(shù)值模擬計(jì)算方法，兼有結(jié)冰風(fēng)洞部件的設(shè)計(jì)方法。論文在參考和學(xué)習(xí)大量國內(nèi)外結(jié)冰文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，基于VC/FORTRAN混合編程方法和動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL技術(shù)，將飛機(jī)結(jié)冰數(shù)值計(jì)算模塊化編程并集成于MFC軟件計(jì)算平臺(tái)中，開發(fā)了面向用戶的飛機(jī)結(jié)冰

2、計(jì)算軟件NUAA-ICE3D，在開發(fā)軟件的環(huán)節(jié)中提出了一系列新的研究思路和方法。本文具體的研究工作和取得有價(jià)值的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　 首先研究了二維圓柱、單段翼型、多段翼等模型的網(wǎng)格生成和重構(gòu)方法，發(fā)現(xiàn)采用基于求解橢圓型偏微分方程方法生成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格最為高效可行。通過對(duì)橢圓型微分方程的離散推導(dǎo)，分析了模型表面附近網(wǎng)格質(zhì)量的控制方式和控制效果。在生成等截面機(jī)翼、變截面機(jī)翼、翼身組合體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)，引入兩種適用于結(jié)冰

3、計(jì)算的網(wǎng)格重構(gòu)方法，即端面表面O網(wǎng)格法和整體H型網(wǎng)格法；考慮到結(jié)冰總是發(fā)生在部件迎風(fēng)部位，為了提高網(wǎng)格重構(gòu)的效率和穩(wěn)定性，引入兩種輔助性的網(wǎng)格分區(qū)方法：橢圓形分區(qū)和扇形分區(qū)。
　　 開發(fā)了基于密度求解方式的Euler/Navier-Stokes流場(chǎng)求解代碼。在離散求解控制方程時(shí)，時(shí)間上采用了顯式四步/五步龍哥庫塔、空間上采用了中心差分格式離散了控制方程。為了抑制奇偶失聯(lián)造成的高頻振蕩和激波前后的數(shù)值波動(dòng)，引入了人工耗散項(xiàng)，編程中

4、還采用了當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)和隱式殘值光順技術(shù)。在計(jì)算湍流粘性系數(shù)時(shí)，采用了三種湍流模型：零方程B-L模型、一方程S-A模型及兩方程k-ε模型。隨后，對(duì)所編的流場(chǎng)求解器進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。
　　 在過冷水滴撞擊特性計(jì)算中，分別研究了拉格朗日法和歐拉法兩種算法。在拉格朗日法中，將網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用到了尋找水滴空間位置過程中，同時(shí)引入了根據(jù)網(wǎng)格分區(qū)設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)的方法，解決了拉格朗日法計(jì)算水滴軌跡耗時(shí)長(zhǎng)的問題。在水滴運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間項(xiàng)離散中，分別采

5、用了歐拉法、預(yù)估-校正法、四步龍哥庫塔法。在歐拉法計(jì)算中，基于FLUENT軟件的用戶自定義標(biāo)量功能，編寫了用于計(jì)算任意幾何體表面水滴撞擊特性的UDF代碼。通過對(duì)二維翼型、三維球體、DLR-F6翼身組合體、DLR-F6翼身架艙組合體的水滴撞擊計(jì)算，驗(yàn)證了所開發(fā)代碼的正確性。最后，采用FLUENT特有的日志運(yùn)行功能，基于MFC界面對(duì)動(dòng)態(tài)加載UDF、設(shè)置來流計(jì)算條件、監(jiān)視收集系數(shù)收斂等一系列操作進(jìn)行了封裝。
　　 研究了冰層增長(zhǎng)中的復(fù)

6、雜傳熱傳質(zhì)過程，將網(wǎng)格單元作為控制體，使得冰層增長(zhǎng)計(jì)算與其它模塊共用同一套網(wǎng)格。從熱邊界層和動(dòng)量邊界層理論出發(fā)，推導(dǎo)和討論了空氣、水膜、冰層三者之間的換熱機(jī)理，完成了水滴發(fā)生凍結(jié)并轉(zhuǎn)化冰層的模擬，將所開發(fā)的代碼模塊命名為ICEC。通過對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)曲線和結(jié)冰冰形的計(jì)算，驗(yàn)證了代碼的可靠性。以圓柱結(jié)冰為研究對(duì)象，分析了冰層表面粗糙度對(duì)空氣、水膜、冰三相間傳熱傳質(zhì)及結(jié)冰冰形的影響，提出了一種全新的幾何粗糙度修正模型，它是通過冰形邊界的曲折程

7、度來衡量表面粗糙程度的。以集成的結(jié)冰軟件為計(jì)算平臺(tái)，模擬并研究了結(jié)冰參數(shù)對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)和冰形的影響。最后在三維結(jié)冰數(shù)值計(jì)算方面，將二維中的計(jì)算方法進(jìn)行了三維空間的拓展。
　　 在計(jì)算代碼的高度集成性和面向用戶性方面作了深入的研究工作。首先將結(jié)冰計(jì)算分為網(wǎng)格生成與重構(gòu)模塊GRID、空氣流場(chǎng)計(jì)算FLOW、水滴撞擊計(jì)算模塊DROP、結(jié)冰冰形計(jì)算ICEC，將結(jié)冰邊界修復(fù)并入GRID程序模塊中，然后基于動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)把每個(gè)模塊代碼轉(zhuǎn)為化編

8、譯的DLL文件。從軟件開發(fā)的角度出發(fā)，還研究了各個(gè)模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信、用戶界面、結(jié)果顯示、文件管理及軟件模塊更新等方面的內(nèi)容。基于MFC框架編寫了控制模塊計(jì)算和反復(fù)內(nèi)部調(diào)用模塊的多線程仿真平臺(tái)，同時(shí)軟件中引入了兩種執(zhí)行方式以適應(yīng)多步長(zhǎng)冰層增長(zhǎng)的模擬。最后，書寫了軟件用戶手冊(cè)，將所開發(fā)的結(jié)冰軟件打包為setup.exe，即可交付用戶使用。在結(jié)冰數(shù)值軟件NUAA-ICE3D中，除了集成了自編的各個(gè)模塊程序及其計(jì)算功能外，還內(nèi)嵌了通過MF

9、C界面啟動(dòng)的FLUENT流場(chǎng)計(jì)算和UDF水滴撞擊計(jì)算功能，所有初始計(jì)算工況均由用戶界面輸入，然后軟件自動(dòng)查找并替換FLUENT日志文件和UDF程序中的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)模塊程序的無縫封裝和數(shù)值計(jì)算的自動(dòng)化。
　　 對(duì)冰風(fēng)洞的關(guān)鍵部件進(jìn)行了闡述，然后重點(diǎn)展開了兩個(gè)方面的研究工作，即冰風(fēng)洞洞體和四大拐角導(dǎo)流葉片的設(shè)計(jì)。根據(jù)風(fēng)洞設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了某型回流結(jié)冰風(fēng)洞，計(jì)算了風(fēng)洞各段截面上的總壓、靜壓、速度等參數(shù)的分布。在確定風(fēng)洞各段尺寸之后建立了