CN114048552B - 考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法及终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法及终端，属于数值模拟技术领域，方法包括以下步骤：计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 429399DEST_PATH_IMAGE001
；根据二次大水滴质量流量
Figure 252998DEST_PATH_IMAGE002
，结合不发生大水滴飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 以及大水滴飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 计算旋翼表面的最终大水滴质量流量ṁ。本发明在旋翼表面的大水滴质量流量计算中，考虑了飞溅过冷大水滴二次撞击旋翼表面引起的最终大水滴质量流量变化，以此实现更加精准的最终大水滴质量流量计算，使旋翼结冰的数值模拟更贴近物理实际，提高了旋翼结冰的数值模拟精度，以此保证飞行器的飞行安全。

Description

考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法及终端
技术领域
本发明涉及数值模拟技术领域，尤其涉及考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法及终端。
背景技术
直升机被广泛应用于军事作战、民用救援等方面，随着对其使用的更广领域拓展，要求直升机具备全天候的飞行能力，增大了直升机遭遇旋翼结冰的危险情况的概率。旋翼结冰会改变旋翼外形、增加旋翼重量、降低旋翼旋转速度，导致旋翼升力下降，同时旋翼上脱落的结冰有可能对机体、武器***、电子设备等造成撞击危害，增加飞行不确定性。因此，开展旋翼结冰研究对提高飞行安全和飞行效率具有重要意义。
直升机飞行高度范围较宽，常常出现冻雨、冻毛毛雨等结冰气象条件，此时空气中水滴粒径较大，称为过冷大水滴（Supercooled Large Droplet,SLD，平均粒径大于50μm）。相比于小水滴，过冷大水滴广泛存在于云雾中，具有较差的气动跟随性和较强的动力学特性，引起的结冰过程更复杂，造成的危害更严重，增大了SLD结冰数值预测和试验评估的难度。
桨叶表面水滴质量流量是结冰计算的关键中间量，它的正确计算直接影响旋翼冰形的预测精度。旋翼结冰不同于固定翼结冰，试验中需要给定动力，使得试验受限过多、难度更大，因此数值模拟成为了旋翼表面水滴质量流量预测的首要手段。旋翼流场中，受桨叶旋转影响，大水滴将会出现旋转下洗的流动特性，大水滴撞击于桨叶前缘，大多时候会发生飞溅，导致桨叶水滴质量流量的减小。目前，对旋翼表面大水滴飞溅特性的研究较少，对大水滴质量流量的处理方式还不明确，因此，有必要进一步开展旋翼表面大水滴质量流量的计算方法研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中无法精准计算旋翼表面大水滴质量流量的问题，提供了考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法及终端。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，方法具体包括以下步骤：
计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 875797DEST_PATH_IMAGE001
；
根据二次大水滴质量流量
Figure 976608DEST_PATH_IMAGE002
，结合不发生大水滴飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 以及大水滴飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 计算旋翼表面的最终大水滴质量流量ṁ。
在一示例中，所述计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 159328DEST_PATH_IMAGE002
包括以下子步骤：
计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量总量ṁ imp ；
计算进入流场的一次大水滴质量流量总量ṁ in ；
计算二次大水滴质量流量总量与一次大水滴质量流量总量的比例λ；
根据比例λ、大水滴质量流量ṁ temp 计算二次大水滴质量流量
Figure 108041DEST_PATH_IMAGE003
。
在一示例中，所述二次大水滴质量流量总量ṁ imp 的计算公式为：
Figure 237671DEST_PATH_IMAGE004
其中，(x,y,z)表示旋翼的计算外形表面的网格点；ω表示旋翼的计算外形表面的网格点集。
在一示例中，所述一次大水滴质量流量总量ṁ in 的计算公式为：
Figure 442256DEST_PATH_IMAGE005
其中，n表示桨叶转速；r表示桨盘半径；
Figure 61457DEST_PATH_IMAGE006
表示水滴与碰撞表面之间的夹角。
在一示例中，所述二次大水滴质量流量
Figure 469435DEST_PATH_IMAGE007
的计算公式为：
Figure 199494DEST_PATH_IMAGE008
其中，(x,y,z)表示旋翼的计算外形表面的网格点。
在一示例中，所述最终大水滴质量流量ṁ的计算公式为：
Figure 760050DEST_PATH_IMAGE009
其中，(x,y,z)表示旋翼的计算外形表面的网格点；λ表示二次大水滴质量流量总量与一次大水滴质量流量总量的比例。
在一示例中，所述方法还包括以下步骤：
计算不发生飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp ；
计算飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 。
在一示例中，所述计算不发生飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 包括以下子步骤：
生成旋翼计算外形Γ的网格Ω；
计算网格Ω的空气流场信息；
根据空气流场信息计算水滴流场信息；
根据网格Ω以及水滴流场信息计算大水滴质量流量ṁ temp 。
在一示例中，所述计算飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 包括以下子步骤：
计算水滴撞击旋翼表面的撞击参数K；
考虑最小质量损失率的基础上，根据撞击参数K、水滴流场信息计算质量损失率f m 。
需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
本发明还包括一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一示例或多个示例组成形成的所述考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法的步骤。
本发明还包括一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行任一示例或多个示例组成形成的所述考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法的步骤。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
本发明在旋翼表面的大水滴质量流量计算中，考虑了飞溅过冷大水滴二次撞击旋翼表面引起的最终大水滴质量流量变化，以此实现更加精准的最终大水滴质量流量计算，使旋翼结冰的数值模拟更贴近物理实际，提高了旋翼结冰的数值模拟精度，以此保证飞行器的飞行安全。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明一示例中的方法流程图；
图2为本发明优选示例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明旨在解决现有技术未考虑旋翼表面水滴二次撞击导致的大水滴质量流量变化，使旋翼表面最终大水滴质量流量计算准确度不高，进而导致旋翼结冰数值模拟精度低，无法为飞行器的安全飞行提供准确理论支撑的问题。
在一示例中，一种考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1：计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 550152DEST_PATH_IMAGE010
；其中，大水滴质量流量表示单位时间内单位面积上通过旋翼表面的大水滴质量。需要说明的是，本申请中大水滴（水滴）具体为过冷大水滴SLD，粒径大于50μm。进一步地，水滴二次撞击旋翼具体为：水滴撞击旋翼表面发生飞溅后，旋翼桨叶上翼面的水滴进入旋转流场中，并与桨叶再次发生碰撞，进而旋翼桨叶上发生了二次水滴收集现象，这部分进入流场的大水滴质量流量（二次大水滴质量流量）会影响旋翼表面的最终大水滴质量流量ṁ。
S2：根据二次大水滴质量流量
Figure 711006DEST_PATH_IMAGE007
，结合不发生大水滴飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 以及大水滴飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 计算旋翼表面的最终大水滴质量流量ṁ。其中，质量损失指的是过冷大水滴飞溅引起的质量损失，对应地，质量损失率表示飞溅条件下旋翼表面水滴损失量与收集量之比。
本示例在旋翼表面的大水滴质量流量计算中，考虑了飞溅水滴二次撞击旋翼表面引起的最终大水滴质量流量变化，以此实现更加精准的最终大水滴质量流量计算，使旋翼结冰的数值模拟更贴近物理实际，提高了旋翼结冰的数值模拟精度，以此保证飞行器的飞行安全。
在一示例中，计算水滴二次撞击旋翼条件下，旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 979176DEST_PATH_IMAGE002
，包括以下子步骤：
S11：计算旋翼表面一次大水滴质量流量总量ṁ imp ，此时旋翼表面不发生大水滴飞溅；
S12：计算进入流场的一次大水滴质量流量总量ṁ in ；其中，一次大水滴质量流量总量ṁ in 即为第一次进入流场的水滴质量流量总量。
S13：计算二次大水滴质量流量总量与一次大水滴质量流量总量的比例λ；
S14：根据比例λ、大水滴质量流量ṁ temp 计算二次大水滴质量流量
Figure 158354DEST_PATH_IMAGE003
。
在一示例中，二次大水滴质量流量总量ṁ imp 的计算公式为：
Figure 384936DEST_PATH_IMAGE011
其中，(x,y,z)表示旋翼的计算外形Γ表面的网格点；ω表示旋翼的计算外形Γ表面的网格点集。
在一示例中，一次大水滴质量流量总量ṁ in 的计算公式为：
Figure 501927DEST_PATH_IMAGE012
其中，n表示桨叶转速；r表示桨盘半径；
Figure 573789DEST_PATH_IMAGE006
表示水滴与碰撞表面之间的夹角。
在一示例中，比例λ的计算公式为：
Figure 374517DEST_PATH_IMAGE013
在一示例中，二次大水滴质量流量
Figure 240842DEST_PATH_IMAGE007
的计算公式为：
Figure 376288DEST_PATH_IMAGE014
此时认为水滴质量流量和第一次撞击时收集效率相当。
在一示例中，最终大水滴质量流量ṁ的计算公式为：
Figure 986261DEST_PATH_IMAGE015
本示例中将最终大水滴质量流量ṁ与大水滴质量流量ṁ temp 、质量损失率f m 、二次大水滴质量流量
Figure 140030DEST_PATH_IMAGE016
进行关联，即最终大水滴质量流量ṁ为在不考虑飞溅条件下的大水滴质量流量扣除飞溅出旋翼表面的大水滴质量流量再加上二次大水滴质量流量。
在一示例中，方法还包括以下步骤：
S01：计算不发生飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp ；其中，不发生飞溅即令过冷大水滴撞击后旋翼表面不发生飞溅。
S02：计算飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 。其中，飞溅即水滴撞击旋翼后发生的飞溅，进而导致一定水滴质量损失。
在一示例中，计算不发生飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 包括以下子步骤：
S011：生成旋翼计算外形Γ的网格Ω；其中，旋翼计算外形Γ即旋翼的矢量模型，网格Ω为包含该矢量模型、计算域的基本计算组成单元。具体地，网格Ω生成具体包括：采用网格生成软件，以计算外形Γ作为输入，进而生成计算拓扑和网格Ω。网格生成软件包括Gridgen、Pointwise、GridStar等，本实施例中采用的GridStar网格生成软件生成计算外形Γ的网格Ω。
S012：计算网格Ω的空气流场信息；具体地，采用空气流场计算软件或程序，以计算外形Γ的网格Ω作为输入，并设置空气流场计算方法、边界条件和计算条件等信息，计算得到网格对应的空气流场信息P。
S013：根据空气流场信息计算水滴流场信息；具体地，采用水滴流场计算软件或者程序，将空气流场P作为输入，并设置水滴流场计算方法、边界条件和计算条件等信息，其中计算外形Γ的表面设置为壁面吸入边界条件，最终通过计算得到网格Ω对应的水滴流场信息，记为W；更为具体地，水滴流场信息包括水滴平均粒径、水滴密度、水滴翼面处的法向速度、水滴表面张力系数、水滴动力粘度、水滴入射频率、计算外形Γ的含水量、水滴速度、来流含水量、远场水滴速度等。
S014：根据网格Ω以及水滴流场信息计算大水滴质量流量ṁ temp 。具体地，大水滴质量流量ṁ temp 可通过计算外形Γ表面网格点(x,y,z)处的水滴体积分数α和速度v计算获得，具体计算公式为：
Figure 177256DEST_PATH_IMAGE017
其中，ρ为水滴密度，
Figure 799999DEST_PATH_IMAGE018
为外形Γ表面的法向。
在一示例中，计算飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 包括以下子步骤：
S021：计算水滴撞击旋翼表面的撞击参数K；具体地，给定飞溅判定准则，撞击参数K的计算公式为：
Figure 213663DEST_PATH_IMAGE019
其中，ρ表示水滴密度；d表示水滴平均粒径；v表示水滴翼面处的法向速度；σ表示水滴表面张力系数；μ表示水滴动力粘度；θ表示水滴与碰撞表面之间的夹角；
Figure 474136DEST_PATH_IMAGE020
表示水滴入射频率，
Figure 151105DEST_PATH_IMAGE021
。
S021：考虑最小质量损失率的基础上，根据撞击参数K、水滴流场信息计算质量损失率f m 。本示例中，优选最小质量损失率为0.2，量损失率计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
进一步地，最小质量损失率为常数，也可以是关于平均粒径、入射角度、撞击速度等来流条件的函数，此时有：
a=a 1· (d-a 2 ) 2 +a 3
其中，a表示最小质量损失率；a 1 ,a 2 ,a 3 表示正实数的系数；d表示水滴平均粒径。作为一优选，a 1 ＝9.92×10-6；a 2 =50；a 3 =0.12。
将上述示例进行组合，得到本发明优选示例，如图2所示，具体包括以下步骤：
S1’：计算不发生飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp ；
S2’：计算飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m ；
S3’：计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 916936DEST_PATH_IMAGE010
；
S4’：根据二次大水滴质量流量
Figure 291548DEST_PATH_IMAGE007
，结合不发生大水滴飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 以及大水滴飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 计算旋翼表面的最终大水滴质量流量ṁ。
本发明提出在一种大水滴飞溅条件下，考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法。在求解旋翼空气流场和水滴流场后，获得桨叶表面的水滴撞击和收集信息，再基于飞溅判定准则，计算飞溅引起的水滴质量损失率，进而提出飞溅水滴的二次撞击和收集量计算方法，最终得到旋翼表面水滴质量流量计算结果。通过引入二次撞击的思想，以使得旋翼大水滴收集率的计算过程更加贴近物理实际，计算结果更加精确。
本实施例提供了一种存储介质，与上述任一示例或多个示例组合形成的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法具有相同的发明构思，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一示例或多个示例组合形成的所述考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法的步骤。
基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实施例还提供一种终端，与上述任一示例或多个示例组合形成的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法具有相同的发明构思，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述任一示例或多个示例组合形成的所述考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法的步骤。处理器可以是单核或者多核中央处理单元或者特定的集成电路，或者配置成实施本发明的一个或者多个集成电路。
在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 790966DEST_PATH_IMAGE001
；
所述二次大水滴质量流量
Figure 500296DEST_PATH_IMAGE001
的计算公式为：
Figure 559257DEST_PATH_IMAGE002
根据二次大水滴质量流量
Figure 848287DEST_PATH_IMAGE001
，结合不发生大水滴飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 以及大水滴飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 计算旋翼表面的最终大水滴质量流量ṁ；
所述最终大水滴质量流量ṁ的计算公式为：
Figure 731929DEST_PATH_IMAGE003
其中，(x,y,z)表示旋翼的计算外形表面的网格点；λ表示二次大水滴质量流量总量与一次大水滴质量流量总量的比例。
2.根据权利要求1所述的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，其特征在于：所述计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量
Figure 674478DEST_PATH_IMAGE001
包括以下子步骤：
计算水滴二次撞击旋翼条件下旋翼表面的二次大水滴质量流量总量ṁ imp ；
计算进入流场的一次大水滴质量流量总量ṁ in ；
计算二次大水滴质量流量总量与一次大水滴质量流量总量的比例λ；
根据比例λ、大水滴质量流量ṁ temp 计算二次大水滴质量流量
Figure 112412DEST_PATH_IMAGE001
。
3.根据权利要求2所述的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，其特征在于：所述二次大水滴质量流量总量ṁ imp 的计算公式为：
Figure 736292DEST_PATH_IMAGE004
其中，ω表示旋翼的计算外形表面的网格点集。
4.根据权利要求2所述的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，其特征在于：所述一次大水滴质量流量总量ṁ in 的计算公式为：
Figure 208861DEST_PATH_IMAGE005
其中，n表示桨叶转速；r表示桨盘半径；
Figure 994415DEST_PATH_IMAGE006
表示水滴与碰撞表面之间的夹角。
5.根据权利要求1所述的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
计算不发生大水滴飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp ；
计算飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 。
6.根据权利要求5所述的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，其特征在于：所述计算不发生大水滴飞溅条件下旋翼表面的大水滴质量流量ṁ temp 包括以下子步骤：
生成旋翼计算外形Γ的网格Ω；
计算网格Ω的空气流场信息；
根据空气流场信息计算水滴流场信息；
根据网格Ω以及水滴流场信息计算大水滴质量流量ṁ temp 。
7.根据权利要求6所述的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法，其特征在于：所述计算飞溅条件下旋翼表面水滴的质量损失率f m 包括以下子步骤：
计算水滴撞击旋翼表面的撞击参数K；
考虑最小质量损失率的基础上，根据撞击参数K、水滴流场信息计算质量损失率f m 。
8.一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，其特征在于：所述处理器运行所述计算机指令时执行权利要求1-7任意一项所述的考虑二次撞击的旋翼表面大水滴质量流量计算方法的步骤。
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