[发明专利]一种基于圆弧拟合的二维冰形简化方法

说明书

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种基于圆弧拟合的二维冰形简化方法，采用对气动特性影响较大的特征量来对冰形曲线进行分段，分段使用圆弧来拟合二维冰形曲线，通过平滑连接各圆弧拟合曲线实现二维冰形重构。并且在重构过程中，建立了候选拟合曲线组合，通过计算气动特性，选择与原冰形气动特性最接近的一个候选曲线组合作为最终简化的二维冰形曲线，以保证简化后的冰形既保留了对气动特性影响较大的冰形特征量，又不对气动特性产生较大变化，从而最大化地保留了冰形的气动特性，保证了结冰翼型的流场保真。

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种基于圆弧拟合的二维冰形简化方法。

背景技术

表面结冰的飞行器在飞行时，积冰与来流之间形成复杂流场，会造成致飞行器升力下降、阻力增加、操纵失效，严重影响飞行安全，因此评估结冰对飞行器气动特性的影响至关重要。目前，由于相似准则的限制，结冰试验只能进行全尺寸试验，受限于规模，在结冰风洞试验中还只能获得部段冰模。由于结冰冰模的结构复杂性，工程中需要将试验冰模进行缩比和简化后，再进行带冰飞行器的整机气动分析。在研究过程中，使用不同方法简化的冰模获得的结冰气动影响存在显著差异，且对带后掠机翼的复杂三维结构虾尾冰而言，这一问题更为突出。而三维复杂冰形的简化是建立在二维方法的研究基础上，所以，二维冰形的简化方法研究具有重大意义。

美国自上世纪90年代开展了典型二维结冰冰形的保真度影响研究，并在2017年后，NASA、ONERA、FAA、波音公司和一些美国大学开始了新一轮针对带后掠机翼的冰形保真度影响研究，以期改进冰模制作策略、提升飞机的结冰设计认证和测试能力。在研究中发现，对气动影响较大的冰形是角状冰和展向脊状冰，其中，角状冰的影响程度可达60% 以上。因为冰角会导致复杂分离流动，冰角背部会形成较大的分离泡，在分离区域内存在中小尺度湍流结构，导致升力减小，阻力增大。当前，研究冰形保真度对二维翼型的气动影响更多还是依赖实验手段，主要集中在对翼型的最大升力、阻力和失速迎角方面。

在现代实验条件和计算机技术飞速发展的背景下，以数值仿真为主，风洞实验验证为辅的冰翼气动影响研究路线已成为趋势。目前我国对冰形简化的相关研究尚属空白。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种基于圆弧拟合的二维冰形简化方法，采用对气动特性影响较大的特征量来对冰形曲线进行分段，分段使用圆弧来拟合二维冰形曲线，通过平滑连接各圆弧拟合曲线实现二维冰形重构。并且在重构过程中，建立了候选拟合曲线组合，通过计算气动特性选择与原冰形气动特性最接近的一个候选曲线组合作为最终简化的二维冰形曲线，以保证简化后的冰形即保留了对气动特性影响较大的冰形特征量，又不对气动特性产生较大变化。

本发明是这样实现的，一种基于圆弧拟合的二维冰形简化方法，其特征在于，包含以下步骤：

S10. 在基于翼型表面的S坐标系中读取冰角个数及冰形特征量，将整个冰形曲线根据冰角数量分为N段，其中，第一个冰角的曲线对应第一段，第二个冰角对应第二段，...，第N个冰角对应第N段；

S20. 提取每个冰角的峰值和低谷的坐标，分别记为C_n1，C_n2，C_n3，其中，n表示第n个冰角，取值为1，...，N；

S30. 拟合冰角头部曲线

S31. 从峰值C_n1分别向左右两个低谷方向寻找拟合点C_n4，C_n5，使得连接点C_n4，C_n1，C_n5之间的圆弧的曲率ρ接近冰角的实际曲率ρ_实际；

即，，其中，A为设定的阈值；