[发明专利]基于液态水分布的结冰表面粗糙度衡量方法

说明书

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h_w，根据受力平衡模型，确定水膜发生破断的临界水膜高度h_f-r：

hf-r=[6·μw2·σ·(1-cosθ)ρwτa2]13]]>

当h_w＞h_f-r时，水膜连续，粗糙度k_s等于水膜表面波高，即：

当h_w≤h_f-r时，水膜破断形成溪流，粗糙度k_s等于当地溪流高度，即：k_s＝R(1-cosθ)；

以上公式中：μ_w为水动力粘度，σ为水膜表面张力，θ为水在冰面上的接触角，ρ_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。

附图说明

图1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，g_s表示重力加速度沿表面切线方向的分量，g_y表示重力加速度沿表面法线方向的分量，p_a表示气流作用于水膜表面的压强，τ_a(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，h_i表示冰层厚度，h_w表示水膜厚度。

图2为水膜破断过程示意图，图中dz表示展向微元长度。