一种伪多步冰形生成方法与流程

本发明涉及结冰数值模拟中的冰形生成方法，尤其涉及一种伪多步冰形生成方法，属于航空飞行器结冰仿真。

背景技术：

1、结冰数值模拟通过对结冰现象进行合理简化建立数学模型，采用计算流体力学方法模拟结冰外形，结冰模型以结冰量或结冰厚度为求解变量，结冰外形是通过对结冰厚度的拟合获取的。对于二维结冰，冰形生成一般涉及冰形生长方向、冰形外推和冰形光顺等冰形数值处理方法，冰形生长方向即结冰厚度矢量方向，一般取壁面节点相邻边界法矢平均值或夹角平分线；冰形光顺主要从改善结冰边界的平滑性和均匀性着手，夹角光顺法和固定间距插值法可有效改善冰形的平滑性及其节点分布的均匀性；冰形外推方法决定了最终的冰形轮廓，其包括如下两种方法：(1)矩形外推方法，其以结冰模型求解的结冰厚度直接进行冰形外推，类似于当前控制体结冰量所占空间是以壁面边界为底、结冰厚度为高的矩形。但翼型表面为曲面，每个控制体壁面边界法矢方向不同，相邻控制体结冰矩形之间将产生空隙，结冰时间越长，结冰厚度越大，所产生的空隙也越大，若以所有结冰矩形的包线生成结冰外形，无疑将这些空隙也包含在结冰体积中；(2)梯形外推方法，其以壁面边界为梯形底边，其两侧节点的冰形生长方向所在线段为梯形侧边，对面边界为顶边，令梯形面积等于代表结冰量的矩形面积，进而确定每个节点的实际冰厚，冰形也随之确定。冰形外推方法在具体使用时会对冰形产生很大影响，梯形外推方法虽然较矩形外推方法更加符合结冰在曲面上的生长方式，但在时间尺度和壁面曲率较大时仍会引入较大误差。

2、综上所述，需要采用一种产生误差较小的冰形外推手段进行冰形生成的方法。

技术实现思路

1、在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

2、鉴于此，为解决现有技术中传统的冰形生成方法所模拟冰形存在较大误差的问题，本发明提供一种伪多步冰形生成方法。

3、技术方案如下：一种伪多步冰形生成方法，包括以下步骤：

4、s1.获取飞行器结冰模型的壁面或冰形的边界法矢和结冰厚度，将其插值到冰形生长起始的壁面网格节点以确定冰形外推距，得到所有边界网格节点的结冰厚度及其新坐标；

5、s2.设定冰形外推条件，基于飞行器结冰模型计算结果进行冰形外推，以直线连接所有边界网格节点的新坐标，得到当前时间步的冰形；

6、s3.采用夹角光顺法对当前时间步的冰形进行光顺处理，得到光顺后的冰形及其边界网格节点；

7、s4.采用等分间距法对光顺后的冰形边界网格节点进行均布处理，得到插值后的新坐标，整合得到处理后的冰形；

8、s5.在处理后的冰形基础之上进行下一个时间步的结冰计算，重复步骤s1-s4，直到给定的总结冰时间为止；

9、具体的：下一个时间步结冰计算所需参数包括处理后的冰形的所有边界网格节点的中心坐标、边界长度和边界法矢。

10、进一步地，所述s1中，边界网格节点的法矢为相邻边界法矢之和的代数平均值，对边界网格节点的法矢进行单位化，得到边界网格节点单位法矢n，边界网格节点的结冰厚度为相邻边界结冰厚度的权重平均值，通过边界长度求取边界网格节点的结冰厚度平均值b；

11、边界网格节点的结冰厚度平均值b为：

12、

13、其中，bx为网格节点一侧边界单元的结冰厚度值，bx-1为网格节点另一侧边界单元的结冰厚度值，sx为网格节点一侧边界单元的长度，sx-1为网格节点另一侧边界单元的长度，x＝1,2,3…n；

14、边界网格节点的新坐标rx表示为：

15、rx＝rx-1+bn

16、其中，rx-1为边界网格节点的原坐标。

17、进一步地，所述s2中，冰形外推条件表示为：当飞行器结冰模型所受来流速度方向与边界法矢的夹角小于预设角度时，上述边界法矢对应的边界不进行外推。

18、进一步地，所述s3中，光顺处理过程表示为：将边界网格节点的新坐标rx作为边界网格节点a的坐标，其相邻一边的边界网格节点b的坐标为rx-1，相邻另一边的边界网格节点c的坐标为rx+1，整合得到三个相邻边界网格节点的坐标(rx-1，rx，rx+1)，若∠bac的角度值大于或等于指定值，则将三个相邻边界网格节点的坐标平均值(rx-1，rx，rx+1)/3作为边界网格节点a的新坐标，直到∠bac的角度值小于指定值，否则继续对边界网格节点a进行光顺，通过上述操作反复遍历所有边界网格节点，直到所有边界网格节点的角度值均小于指定值，整合得到光顺后的冰形及其边界网格节点。

19、进一步地，所述s4中，给定时间间隔，当结冰时间达到时间间隔的倍数时进行均布处理，均布处理过程表示为：对光顺后的冰形边界节点进行排序，得到冰形当前边界序号j，选取其中任意结冰极限位置节点作为起始点，统计所有边界长度之和，并将其除以边界数目得到等分间距s及其序号，再次从起始点开始，逐个遍历光顺后的冰形边界节点，当满足网格节点插值条件时进行线性插值并确定网格节点的新坐标rnew；

20、网格节点插值条件表示为：

21、

22、其中，dk为冰形当前边界长度，i为等分间距序号；

23、线性插值公式表示为：

24、

25、其中，rj为冰形当前边界第一端点坐标，rj+1为冰形当前边界第二端点坐标，rnew为插值后的新坐标。

26、本发明的有益效果如下：本发明通过设定冰形外推条件，基于飞行器结冰模型计算结果进行冰形外推，实现了在时间尺度和壁面曲率较大时的高精度冰形模拟；本发明通过夹角光顺法对当前时间步的冰形进行光顺处理，改善了冰形的平滑度；本发明通过等分间距法对光顺后的冰形的边界网格节点进行均布处理，避免了节点分布不均导致的误差，改善了冰形的均匀度；本发明在多步时间迭代过程中引入冰形动态变化特征，提高了结冰数值模拟精度。

技术特征：

1.一种伪多步冰形生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种伪多步冰形生成方法，其特征在于，所述s1中，边界网格节点的法矢为相邻边界法矢之和的代数平均值，对边界网格节点的法矢进行单位化，得到边界网格节点单位法矢n，边界网格节点的结冰厚度为相邻边界结冰厚度的权重平均值，通过边界长度求取边界网格节点的结冰厚度平均值b；

3.根据权利要求2所述的一种伪多步冰形生成方法，其特征在于，所述s2中，冰形外推条件表示为：当飞行器结冰模型所受来流速度方向与边界法矢的夹角小于预设角度时，上述边界法矢对应的边界不进行外推。

4.根据权利要求3所述的一种伪多步冰形生成方法，其特征在于，所述s3中，光顺处理过程表示为：将边界网格节点的新坐标rx作为边界网格节点a的坐标，其相邻一边的边界网格节点b的坐标为rx-1，相邻另一边的边界网格节点c的坐标为rx+1，整合得到三个相邻边界网格节点的坐标(rx-1,rx,rx+1)，若∠bac的角度值大于或等于指定值，则将三个相邻边界网格节点的坐标平均值(rx-1,rx,rx+1)/3作为边界网格节点a的新坐标，直到∠bac的角度值小于指定值，否则继续对边界网格节点a进行光顺，通过上述操作反复遍历所有边界网格节点，直到所有边界网格节点的角度值均小于指定值，整合得到光顺后的冰形及其边界网格节点。

5.根据权利要求4所述的一种伪多步冰形生成方法，其特征在于，所述s4中，给定时间间隔，当结冰时间达到时间间隔的倍数时进行均布处理，均布处理过程表示为：对光顺后的冰形边界节点进行排序，得到冰形当前边界序号j，选取其中任意结冰极限位置节点作为起始点，统计所有边界长度之和，并将其除以边界数目得到等分间距s及其序号，再次从起始点开始，逐个遍历光顺后的冰形边界节点，当满足网格节点插值条件时进行线性插值并确定网格节点的新坐标rnew；

技术总结本发明公开了一种伪多步冰形生成方法，属于航空飞行器结冰仿真技术领域。解决了现有技术中传统的冰形生成方法所模拟冰形存在较大误差的问题；本发明将壁面或冰形的边界法矢和结冰厚度插值到冰形生长起始的壁面网格节点以确定冰形外推距离，得到所有边界网格节点的新坐标；设定冰形外推条件进行冰形外推，得到当前时间步的冰形；采用夹角光顺法进行光顺处理，得到光顺后的冰形及其边界网格节点；采用等分间距法进行网格节点均布处理，得到插值后的新坐标，整合得到处理后的冰形；在处理后的冰形基础之上进行下一个时间步的结冰计算，重复上述操作，直到给定的总结冰时间为止。本发明有效提升了结冰数值模拟精度，可以应用于飞行器结冰模拟。技术研发人员：宁义君,顾洪宇,宋佳音,于雷,朱东宇,张付昆受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/4