免费论文：飞机结冰数值模拟研究

飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时会发生表面结冰现象，结冰会严重地影响飞机的飞行性能，甚至导致飞行事故，它是危害飞行安全的一个重要因素。本文采用数值模拟的方法对飞机的结冰进行了仿真研究，研究主要针对过冷水滴的水滴撞击特性、三维结冰数值模拟及结冰冰形的快速预测来进行。首先用欧拉法对过冷水滴撞击特性进行了研究。在FLUENT软件平台上用用户自定义标量（UDS）输运方程求解水滴运动方程，实现了欧拉法的水滴撞击特性计算。将此方法用于三维发动机进气道，得到了发动机表面的水滴收集系数，并研究了进气流量对计算结果的影响。文章详细描述与分析了用对称边界计算时，UDS水滴结果的奇异现象及产生原因，提出了一种水滴的矢量对称边界来解决这个问题，完善了欧拉法的对称计算。最后，对过冷大水滴（SLD）在运动过程中的变形与破碎及撞击过程中的反弹与飞溅现象进行了探索研究，通过经验或半经验公式研究了大水滴状态下的水滴撞击特性。为了完成三维飞机结冰的数值模拟，首先对于二维翼型的结冰模拟进行了描述与分析，对其进行研究与扩展，分别建立了三维霜冰模拟模型、准三维（2.5维）结冰模型与纯三维结冰模型，并给出了各模型的实现方法。其中纯三维模型的建立是通过将经典的Messinger质量与能量守恒方程直接扩展到三维物体表面来完成的，三维表面的溢流水方向与分配由壁面所受剪切力的方向与控制体周向面的特征来确定。为求解纯三维结冰模型，提出了一种重复查找控制体状态的方法，它能够快速的完成整个三维表面控制体的结冰量计算。以三维机翼与发动机为对象，分别计算得到了霜冰模型、准三维结冰模型与纯三维结冰模型的冰形结果。通过将纯三维的结冰冰形结果与FENSAP-ICE软件的结果进行比较发现，冰形结果吻合较好，说明了纯三维模型的合理性与有效性。在此基础上将纯三维模型扩展到非结构网格的计算中，重新计算了三维机翼的冰形，结果与结构网格下的结果比较吻合，说明纯三维模型对非结构网格同样适用。之后，将三种结冰计算模型进行比较，比较结果表明各模型之间的符合性较好。最后，本文研究了基于特征正交分解（POD）的冰形快速预测方法。用CFD方法模拟计算得到的冰形结果做为样本集，详细叙述了POD用于二维翼型冰形预测的方法与步骤，以冰形点的坐标作为样本对象建立了单参数POD模型。POD的计算结果与CFD计算的结果十分吻合，仅在冰角处略有差别。针对直接用坐标作为样本参量进行计算时的不足，提出了用相对坐标进行改进的方法，并分析了正交基所占能量对预测结果的影响。将此方法推广到两参数与三参数的计算中，同样得到了较好的结果。考虑结冰温度的影响，建立了三维发动机POD冰形预测模型，分析了分别以冰形坐标与结冰高度为样本参数时，POD方法的差别与优劣。二维翼型与三维三维发动机的POD计算结果表明，POD方法对飞机结冰冰形的预测非常适用，它能快速地得到较为准确的冰形结果。

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