发动机三维旋转环境下的进气结冰数值模拟方法和装置

本公开涉及航空飞行器领域，尤其涉及一种发动机三维旋转环境下的进气结冰数值模拟方法和装置。

背景技术：

1、飞机在含有大量过冷水滴的云层中容易发生结冰现象。结冰对飞机和发动机部件都会产生严重的威胁。在影响气动性能的同时还可能导致部件直接损伤，甚至诱发机毁人亡的事故。由结冰现象导致的飞行事故屡见不鲜，因此飞机结冰近年来逐渐成为热门的研究内容。受制于计算和试验的能力，传统的飞机结冰研究主要针对机翼结构。这是由于机翼结构简单，附近流动易于模拟，并且在展向通常是均匀的，可以简化成二维模型来计算。然而，除机翼外，发动机内部结冰现象同样严重。相较于机翼，发动机叶片及其他进口部件的尺寸很小，在同样结冰厚度的前提下对性能的影响更为显著。同时，由于发动机为旋转部件，内部存在复杂的强三维、强非定常流动特征，且发动机叶片的外部流场受上下端壁和相邻通道的影响，导致相关技术的二维静止部件的结冰方法难以适用于对发动机结冰情况的研究。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提出了一种发动机三维旋转环境下的进气结冰数值模拟方法和装置，旨在对飞机中的发动机部件结冰情况进行模拟。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种发动机三维旋转环境下的进气结冰数值模拟方法，所述方法包括：

3、对飞机旋转部件的三维结构模型的外部流场进行网格划分，得到多个部件网格；

4、确定所述三维结构模型的预设条件，以及每个所述部件网格中网格节点初始的流场属性信息以及水滴相对速度，所述预设条件中包括所述飞机旋转部件边界的流场属性信息、水滴相对速度和发动机转速；

5、根据所述预设条件、所述流场属性信息和水滴相对速度，以迭代的方式多次计算受科里奥加速度和离心加速度影响的空气流场，并基于所述空气流场求解所述三维结构模型中每个所述部件网格的结冰厚度；

6、在每次迭代过程结束后，更新每个所述网格节点对应的流场属性信息和水滴相对速度，并根据对应的结冰厚度更新所述部件网格对应的网格节点位置。

7、在一种可能的实现方式中，所述根据所述预设条件、所述流场属性信息和水滴相对速度，以迭代的方式多次计算受科里奥加速度和离心加速度影响的空气流场，并基于所述空气流场求解所述三维结构模型中每个所述部件网格的结冰厚度，包括：

8、以所述预设条件作为约束信息，根据所述流场属性信息和所述发动机转速对所述飞机旋转部件所在的空气流场进行求解，更新每个所述网格节点对应的流场属性信息；

9、根据每个所述网格节点对应的流场属性信息和所述水滴相对速度进行水滴运动与撞击计算，得到对应的水滴体积分数和局部收集系数；

10、通过myers水膜模型基于每个所述网格节点对应的流场属性信息、水滴体积分数和局部收集系数，计算每个所述部件网格的结冰厚度。

11、在一种可能的实现方式中，所述流场属性信息包括对应网格节点的相对空气相对速度和空气压力。

12、在一种可能的实现方式中，所述以所述预设条件作为约束信息，根据所述流场属性信息和所述发动机转速对所述飞机旋转部件所在的空气流场进行求解，更新每个所述网格节点对应的流场属性信息，包括：

13、以所述预设条件作为约束信息，根据所述流场属性信息，由位于所述三维结构模型边缘的网格节点开始，以迭代的方式多次通过插值的方式依次向内求解每个所述网格节点对应的流场属性信息；

14、响应于两次迭代过程的求解得到流场属性信息的差异满足预设条件，确定当前的流场属性信息为所述网格节点对应的流场属性信息。

15、在一种可能的实现方式中，每个所述网格节点对应的流场属性信息通过求解雷诺平均的三维navier-stokes方程组得到；

16、所述雷诺平均的三维navier-stokes方程组包括连续方程和动量方程其中，ρa为空气密度，var为空气相对速度，τr为相对粘性应力，p为空气压力，ω为发动机转速，r为网格节点对应的位置矢量，ω×(ω×r)为离心加速度，2ω×var为科里奥利加速度。

17、在一种可能的实现方式中，所述根据每个所述网格节点对应的流场属性信息和所述水滴相对速度进行水滴运动与撞击计算，得到对应的水滴体积分数和局部收集系数，包括：

18、根据每个所述网格节点的水滴相对速度和所述流场属性信息中对应的空气相对速度，计算每个所述网格节点的水滴体积分数和更新后的水滴相对速度；

19、根据所述水滴相对速度和所述水滴体积分数计算局部收集系数。

20、在一种可能的实现方式中，每个所述网格节点的水滴体积分数和更新后的水滴相对速度通过求解液滴控制方程组得到：

21、所述液滴控制方程组包括连续方程和动量方程其中，ρw为水滴密度，vwr为水滴相对速度，var为空气相对速度，α为水滴体积分数，f为空气对水滴的曳力，τp为松弛时间，ω为发动机转速，dp为水滴平均半径，f为关于雷诺数的函数，g为重力加速度。

22、在一种可能的实现方式中，所述通过myers水膜模型基于每个所述网格节点对应的流场属性信息、水滴体积分数和局部收集系数，计算每个所述部件网格的结冰厚度，包括：

23、通过myers水膜模型确定包括连续方程和动量方程的水膜控制方程组，其中，vr为水膜流动速度，hw为水膜在z方向的水膜厚度，mimp为根据所述水滴体积分数和所述局部收集系数计算得到的液滴撞击量速率，ρw为水滴密度，ω为发动机转速，g为重力加速度，p为空气压力，hi为前一次迭代得到的结冰厚度；

24、求解所述水膜控制方程组得到每个所述网格节点对应的水膜厚度；

25、根据水膜流动的能量方程基于所述水膜厚度计算每个所述网格节点的水膜温度；

26、根据所述水膜温度计算每个所述部件网格的结冰厚度。

27、根据本公开的第二方面，提供了一种发动机三维旋转环境下的进气结冰数值模拟装置，所述装置包括：

28、网格划分模块，用于对飞机旋转部件的三维结构模型的外部流场进行网格划分，得到多个部件网格；

29、信息确定模块，用于确定所述三维结构模型的预设条件，以及每个所述部件网格中网格节点初始的流场属性信息以及水滴相对速度，所述预设条件中包括所述飞机旋转部件边界的流场属性信息、水滴相对速度和发动机转速；

30、厚度计算模块，用于根据所述预设条件、所述流场属性信息和水滴相对速度，以迭代的方式多次计算受科里奥加速度和离心加速度影响的空气流场，并基于所述空气流场求解所述三维结构模型中每个所述部件网格的结冰厚度；

31、位置更新模块，用于在每次迭代过程结束后，更新每个所述网格节点对应的流场属性信息和水滴相对速度，并根据对应的结冰厚度更新所述部件网格对应的网格节点位置。

32、在一种可能的实现方式中，所述厚度计算模块，进一步用于：

33、以所述预设条件作为约束信息，根据所述流场属性信息和所述发动机转速对所述飞机旋转部件所在的空气流场进行求解，更新每个所述网格节点对应的流场属性信息；

34、根据每个所述网格节点对应的流场属性信息和所述水滴相对速度进行水滴运动与撞击计算，得到对应的水滴体积分数和局部收集系数；

35、通过myers水膜模型基于每个所述网格节点对应的流场属性信息、水滴体积分数和局部收集系数，计算每个所述部件网格的结冰厚度。

36、在一种可能的实现方式中，所述流场属性信息包括对应网格节点的相对空气相对速度和空气压力。

37、在一种可能的实现方式中，所述厚度计算模块，进一步用于：

38、以所述预设条件作为约束信息，根据所述流场属性信息，由位于所述三维结构模型边缘的网格节点开始，以迭代的方式多次通过插值的方式依次向内求解每个所述网格节点对应的流场属性信息；

39、响应于两次迭代过程的求解得到流场属性信息的差异满足预设条件，确定当前的流场属性信息为所述网格节点对应的流场属性信息。

40、在一种可能的实现方式中，每个所述网格节点对应的流场属性信息通过求解雷诺平均的三维navier-stokes方程组得到；

41、所述雷诺平均的三维navier-stokes方程组包括连续方程和动量方程其中，ρa为空气密度，var为空气相对速度，τr为相对粘性应力，p为空气压力，ω为发动机转速，r为网格节点对应的位置矢量，ω×(ω×r)为离心加速度，2ω×var为科里奥利加速度。

42、在一种可能的实现方式中，所述厚度计算模块，进一步用于：

43、根据每个所述网格节点的水滴相对速度和所述流场属性信息中对应的空气相对速度，计算每个所述网格节点的水滴体积分数和更新后的水滴相对速度；

44、根据所述水滴相对速度和所述水滴体积分数计算局部收集系数。

45、在一种可能的实现方式中，每个所述网格节点的水滴体积分数和更新后的水滴相对速度通过求解液滴控制方程组得到：

46、所述液滴控制方程组包括连续方程和动量方程其中，ρw为水滴密度，vwr为水滴相对速度，var为空气相对速度，α为水滴体积分数，f为空气对水滴的曳力，τp为松弛时间，ω为发动机转速，dp为水滴平均半径，f为关于雷诺数的函数，g为重力加速度。

47、在一种可能的实现方式中，所述厚度计算模块，进一步用于：

48、通过myers水膜模型确定包括连续方程和动量方程的水膜控制方程组，其中，vr为水膜流动速度，hw为水膜在z方向的水膜厚度，mimp为根据所述水滴体积分数和所述局部收集系数计算得到的液滴撞击量速率，ρw为水滴密度，ω为发动机转速，g为重力加速度，p为空气压力，hi为前一次迭代得到的结冰厚度；

49、求解所述水膜控制方程组得到每个所述网格节点对应的水膜厚度；

50、根据水膜流动的能量方程基于所述水膜厚度计算每个所述网格节点的水膜温度；

51、根据所述水膜温度计算每个所述部件网格的结冰厚度。

52、根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为在执行所述存储器存储的指令时，实现上述方法。

53、根据本公开的第四方面，提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。

54、根据本公开的第五方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，或者承载有计算机可读代码的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可读代码在电子设备的处理器中运行时，所述电子设备中的处理器执行上述方法。

55、在本公开实施例中，通过对飞机旋转部件三维结构模型的外部流场进行网格划分得到多个部件网格。确定三维结构模型的预设条件和每个部件网格中网格节点初始的流场属性信息以及水滴相对速度，根据上述信息以迭代的方式多次计算受科里奥加速度和离心加速度影响的空气流场，以求解三维结构模型中每个部件网格的结冰厚度。每次迭代过程结束后更新网格节点对应的流场属性信息和水滴相对速度，并根据对应的结冰厚度更新部件网格对应的网格节点位置。本公开通过引入受科里奥加速度和离心加速度影响的空气流场进行仿真模拟，提高了对飞机旋转部件仿真结果的准确性，进而通过计算准确地确定结冰情况。

56、根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。