一种防冰系统的壁面温度模拟方法技术方案

本发明专利技术适用于防除冰技术领域，提供了一种防冰系统的壁面温度模拟方法，包括步骤：对壁面和干空气流场进行网格划分，所述壁面的网格划分与干空气流场的网格划分一致；通过干空气流场模拟模块获取初始壁面温度

【技术实现步骤摘要】
一种防冰系统的壁面温度模拟方法
本专利技术属于防除冰
，尤其是涉及一种防冰系统的壁面温度模拟方法。
技术介绍
航空航天器表面在空中形成结冰具有很大危害，不仅增加航空航天器的重量，而且破坏航空航天器的气动外形，增加了航空航天器的阻力，导致操纵性、稳定性下降，可能引起严重的事故。现有航空航天器的结冰保护系统分为两类：一类是防冰系统，即不允许在航空航天器部件上结冰的系统；另一类是除冰系统，允许在航空航天器部件上存在少量结冰，然后进行周期性除冰。热气防冰方法是从发动机的高压压气机引出高温高压的气体，通过热气管路引到需要防护的位置，并通过一定的射流冲击形式，加热所需防护壁面的内部。从而使得表面过冷水温度升高，防止壁面积冰现象的发生。为了确保所设计的热气防冰系统具有高效安全的工作性能，需要对热气防冰系统进行分析研究。对于热气防冰系统的数值模拟，需要判断在热气防冰系统开启的条件下，表面是否有冰的生成，如果有冰的生成需要能够模拟冰的厚度，需要能够自动判断表面是否存在溢流水（湿表面防冰）还是撞击水滴完全被蒸发（干表面防冰）。同时还要能够准确的模拟热气防冰系统工作过程中的表面温度。目前用于热气防冰系统的模拟方法，如商业软件FENSAP-ICE以及卜雪琴等人的“基于CFD的水收集系数及防冰表面温度预测”和“某型飞机发动机短舱热气防冰系统性能数值模拟”文献等，均采用将内部热气流场计算、外部空气过冷水滴以及薄表面膜的流动换热计算分开，且多集中于防冰热载荷的分析，即假定已知壁面温度分析计算达到该温度所需要的热载荷。此种方法需要预先假设一个壁面的温度或者热流，而后内外分开计算，直到内外流场计算的得到的壁面温度或者热流相同。由于对防冰部件表面的对流换热和蒸发的计算严重依赖防冰部件的表面温度，因此采用上述内外分开形式的模拟方法所计算收敛性严重依赖于壁面的初始温度或者对初始热流的假设，一旦所假设的初始温度和初始热流与真实的偏差较大，极容易导致整个迭代过程不收敛。同时，该方法规避了壁面表面膜以及冰层状态未知的计算困难，忽视了表面膜高度方向的温度梯度带来的影响，虽然可以实现对防冰系统的设计前的简单分析，却难以用于对防冰系统的完整分析。并且，该方法的模拟需要建立两套网格，将内部干空气流场和外部干空气流场分别进行网格划分，增加了计算的工作量和复杂程度，降低了计算的效率。综上所述，现有技术中存在的技术问题有：1.采用内外分开的模拟方法所计算收敛性严重依赖于对壁面初始温度或者初始热流的假设，一旦假设的初始温度和初始热流与真实数据偏差较大，将导致整个迭代过程不收敛；2.现有模拟方法忽视了表面膜沿高度方向的温度梯度，认为表面膜底部和顶部温度一致，而真实条件下，表面膜上下表面存在温度差，因此可以传递热量，虽然可以实现对防冰系统的设计前的简单分析，却难以用于对防冰系统的完整分析，降低了模拟的精度；现有方法的模拟需要建立两套网格，将内部干空气流场和外部干空气流场分别划分，增加了计算的工作量和复杂程度，存在计算效率低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种防冰系统的壁面温度模拟方法，采用松弛迭代的方法计算壁面温度，能够有效避免现有迭代过程存在的不收敛问题，提高了防冰系统和壁面温度的模拟精度和计算效率。一种防冰系统的壁面温度模拟方法，包括如下步骤：步骤S10：对壁面和干空气流场进行网格划分，所述壁面的网格划分与所述干空气流场的网格划分一致，所述干空气流场包括壁面外部的外部干空气流场和壁面内部的内部干空气流场；步骤S20：通过干空气流场模拟模块获取第0次壁面温度Ts0和第0次空气温度Ta0，所述干空气流场模拟模块用于对所述干空气流场的模拟；步骤S30：通过第i-1次壁面温度Tsi-1和第i-1次空气温度Tai-1计算得到第i-1次表面膜总能量Qi-1，通过将第i-1次表面膜总能量Qi-1代入所述干空气流场模拟模块，获取第i次壁面温度Tsi和第i次空气温度Tai，其中，i为迭代次数，i=1、2、3...n，n为最终的迭代次数；步骤S40：判断第i次壁面温度Tsi是否收敛；若所述第i次壁面温度Tsi不收敛，则令i=i+1，重复步骤S30；若第i次壁面温度Tsi收敛，即第i次壁面温度Tsi为最终壁面温度。进一步的，在所述步骤S40中，若第i次壁面温度Tsi不收敛则计算第j次优化壁面温度Tsj=kTsi+(1-k)Tsi-1，其中，k为松弛因子，j=1、2、3...n-1；令Tsi-1=Tsj，j=j+1，i=i+1，重复步骤S30。进一步的，所述步骤S30中，所述第i-1次表面膜总能量为Qi-1=qimpi-1+qicei-1-qevapi-1，其中，qimpi-1为第i-1次水滴撞击能量、qicei-1为第i-1次表面膜相变能量，qevapi-1为第i-1次结冰能量。进一步的，所述第i-1次水滴撞击能量为qimpi-1=0.5mimpUd2+cpwmimp(Tai-1-Tfti-1)，其中，mimp为水滴质量，Ud为水滴速度，cpw为比热容，Tfti-1为第i-1次表面膜上表面温度。进一步的，通过得到所述第i-1次表面膜上表面温度Tfti-1，其中，Ai-1为第i-1次第一系数、Bi-1为第i-1次第二系数和，Ci-1为第i-1次第三系数。进一步的，所述第i-1次第一系数为、所述第i-1次第二系数为Bi-1=-0.5mimpUd2-micei-1Lice，所述第i-1次第三系数为Ci-1=k/Hwi-1，其中，为传质系数，h为对流换热系数，micei-1为第i-1次结冰质量，Lice为结冰相变潜热，Hwi-1为第i-1次表面膜厚度。进一步的，所述第i-1次表面膜厚度Hwi-1的计算步骤为：通过表面膜连续方程得到所述第i-1次表面膜厚度Hwi-1，其中，Hwm为第m个时间步的表面膜厚度，Hwm+1为第m+1个时间步的表面膜厚度，ρw为水密度，Asub为控制体的底面积，mevapi-1为第i-1次蒸发质量，为溢流水总质量，为表面法线方向上的单位向量，为表面膜速度，为控制体内水的质量变化，Δt为一定时间步长，Ax控制体的单位面积；直至第m+1次表面膜厚度Hwm+1收敛，即第m+1次表面膜厚度Hwm+1为所述第i-1次表面膜厚度Hwi-1。进一步的，所述第i-1次表面膜相变能量为qevapi-1=mevapi-1Le，其中，Le为蒸发潜热，mevapi-1为第i-1次蒸发质量。进一步的，所述第i-1次结冰能量为qicei-1=micei-1Lice，其中，Lice为结冰相变潜热，micei-1为第i-1次结冰质量。本专利技术提供了一种具有收敛性好、求解方便、更加接近真实物理过程的壁面温度模拟方法，具体的，本专利技术所能实现的技术效果如下：1.现有技术中防冰系统的计算经常出现不收敛的情况，但本领域技术人员并未发现出现不收敛的原因，本专利技术发现由于现有防冰系统对温度的计算忽略了表面膜上表面与下表面温度的差异，将其看做一个温度进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种防冰系统的壁面温度模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S10：对壁面和干空气流场进行网格划分，所述壁面的网格划分与所述干空气流场的网格划分一致，所述干空气流场包括壁面外部的外部干空气流场和壁面内部的内部干空气流场；/n步骤S20：通过干空气流场模拟模块获取第0次壁面温度

【技术特征摘要】
1.一种防冰系统的壁面温度模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：对壁面和干空气流场进行网格划分，所述壁面的网格划分与所述干空气流场的网格划分一致，所述干空气流场包括壁面外部的外部干空气流场和壁面内部的内部干空气流场；
步骤S20：通过干空气流场模拟模块获取第0次壁面温度Ts0和第0次空气温度Ta0，所述干空气流场模拟模块用于对所述干空气流场的模拟；
步骤S30：通过第i-1次壁面温度Tsi-1和第i-1次空气温度Tai-1计算得到第i-1次表面膜总能量Qi-1，通过将第i-1次表面膜总能量Qi-1代入所述干空气流场模拟模块，获取第i次壁面温度Tsi和第i次空气温度Tai，其中，i为迭代次数，i=1、2、3...n，n为最终的迭代次数；
步骤S40：判断第i次壁面温度Tsi是否收敛；若所述第i次壁面温度Tsi不收敛，则令i=i+1，重复步骤S30；若第i次壁面温度Tsi收敛，即第i次壁面温度Tsi为最终壁面温度。


2.如权利要求1所述的一种防冰系统的壁面温度模拟方法，其特征在于，在所述步骤S40中，若第i次壁面温度Tsi不收敛则计算第j次优化壁面温度Tsj=kTsi+(1-k)Tsi-1，其中，k为松弛因子，j=1、2、3...n-1；令Tsi-1=Tsj，j=j+1，i=i+1，重复步骤S30。


3.如权利要求1或2任意一项所述的一种防冰系统的壁面温度模拟方法，其特征在于，所述步骤S30中，所述第i-1次表面膜总能量为Qi-1=qimpi-1+qicei-1-qevapi-1，其中，qimpi-1为第i-1次水滴撞击能量、qicei-1为第i-1次表面膜相变能量，qevapi-1为第i-1次结冰能量。


4.如权利要求3所述的一种防冰系统的壁面温度模拟方法，其特征在于：所述第i-1次水滴撞击能量为qimpi-1=0.5mimpUd2+cpwmimp(Tai-1-Tfti-1)，其中，mimp为水滴质量，U...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宁立，易贤，王强，刘宇，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51