飛機結(jié)冰數(shù)值計算與冰風(fēng)洞部件設(shè)計研究.pdf

1、飛機在含有過冷水滴的云層中飛行時將會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，飛機結(jié)冰對其安全飛行帶來嚴(yán)重威脅，近年來因為飛機結(jié)冰引發(fā)的航空事故并不少見。目前，國內(nèi)由于缺乏支撐試驗的大型結(jié)冰風(fēng)洞(正在建設(shè)中)，因此本文研究重點研究了結(jié)冰數(shù)值模擬計算方法，兼有結(jié)冰風(fēng)洞部件的設(shè)計方法。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混合編程方法和動態(tài)鏈接庫DLL技術(shù)，將飛機結(jié)冰數(shù)值計算模塊化編程并集成于MFC軟件計算平臺中，開發(fā)了面向用戶的飛機結(jié)冰

2、計算軟件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值的成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　 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。在生成等截面機翼、變截面機翼、翼身組合體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時，引入兩種適用于結(jié)冰

3、計算的網(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流場求解代碼。在離散求解控制方程時，時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，引入了人工耗散項，編程中

4、還采用了當(dāng)?shù)貢r間步長和隱式殘值光順技術(shù)。在計算湍流粘性系數(shù)時，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，對所編的流場求解器進行了驗證和分析。
　　 在過冷水滴撞擊特性計算中，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，同時引入了根據(jù)網(wǎng)格分區(qū)設(shè)置時間步長的方法，解決了拉格朗日法計算水滴軌跡耗時長的問題。在水滴運動方程的時間項離散中，分別采

5、用了歐拉法、預(yù)估-校正法、四步龍哥庫塔法。在歐拉法計算中，基于FLUENT軟件的用戶自定義標(biāo)量功能，編寫了用于計算任意幾何體表面水滴撞擊特性的UDF代碼。通過對二維翼型、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算，驗證了所開發(fā)代碼的正確性。最后，采用FLUENT特有的日志運行功能，基于MFC界面對動態(tài)加載UDF、設(shè)置來流計算條件、監(jiān)視收集系數(shù)收斂等一系列操作進行了封裝。
　　 研究了冰層增長中的復(fù)

6、雜傳熱傳質(zhì)過程，將網(wǎng)格單元作為控制體，使得冰層增長計算與其它模塊共用同一套網(wǎng)格。從熱邊界層和動量邊界層理論出發(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。通過對對流換熱系數(shù)曲線和結(jié)冰冰形的計算，驗證了代碼的可靠性。以圓柱結(jié)冰為研究對象，分析了冰層表面粗糙度對空氣、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)冰軟件為計算平臺，模擬并研究了結(jié)冰參數(shù)對對流換熱系數(shù)和冰形的影響。最后在三維結(jié)冰數(shù)值計算方面，將二維中的計算方法進行了三維空間的拓展。
　　 在計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)冰計算分為網(wǎng)格生成與重構(gòu)模塊GRID、空氣流場計算FLOW、水滴撞擊計算模塊DROP、結(jié)冰冰形計算ICEC，將結(jié)冰邊界修復(fù)并入GRID程序模塊中，然后基于動態(tài)鏈接庫技術(shù)把每個模塊代碼轉(zhuǎn)為化編

8、譯的DLL文件。從軟件開發(fā)的角度出發(fā)，還研究了各個模塊數(shù)據(jù)存儲、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算和反復(fù)內(nèi)部調(diào)用模塊的多線程仿真平臺，同時軟件中引入了兩種執(zhí)行方式以適應(yīng)多步長冰層增長的模擬。最后，書寫了軟件用戶手冊，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模塊程序及其計算功能外，還內(nèi)嵌了通過MF

9、C界面啟動的FLUENT流場計算和UDF水滴撞擊計算功能，所有初始計算工況均由用戶界面輸入，然后軟件自動查找并替換FLUENT日志文件和UDF程序中的參數(shù)，以實現(xiàn)模塊程序的無縫封裝和數(shù)值計算的自動化。
　　 對冰風(fēng)洞的關(guān)鍵部件進行了闡述，然后重點展開了兩個方面的研究工作，即冰風(fēng)洞洞體和四大拐角導(dǎo)流葉片的設(shè)計。根據(jù)風(fēng)洞設(shè)計理論，設(shè)計了某型回流結(jié)冰風(fēng)洞，計算了風(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