基于格子玻尔兹曼方法计算表面结冰水滴撞击特性的方法技术

本发明专利技术提出一种基于格子玻尔兹曼方法计算表面结冰水滴撞击特性的方法，以介观尺度的、远小于宏观控制体的流体微团为基础，通过求解带有大涡模拟、分裂碰撞模型、差异格子速度格式的多组分格子玻尔兹曼方程，采用空气组分平衡态退化、引入水气分子聚合数的处理方式使模型更符合物理实际，从而求得空气和水滴的宏观物理量，进而求得水滴撞击特性。本发明专利技术可以以流体分子微团为研究对象求解空气水气混合流场，捕捉宏观方法下无法模拟的水滴微观运动；在复杂结冰条件下，有利于解决求解流场时由于复杂几何而面临的网格尺度的约束问题。由于复杂几何而面临的网格尺度的约束问题。由于复杂几何而面临的网格尺度的约束问题。

【技术实现步骤摘要】
基于格子玻尔兹曼方法计算表面结冰水滴撞击特性的方法


[0001]本专利技术涉及计算流体力学
，尤其涉及一种基于格子玻尔兹曼方法计算表面结冰水滴撞击特性的方法。

技术介绍

[0002]飞机在穿过含有过冷水滴的云层时会发生结冰现象。在数值模拟结冰的过程中，水滴撞击特性的计算是预测结冰冰型的基础。水滴对表面的撞击区、撞击量，以及水滴在撞击区内的分布，统称为水滴对表面的撞击特性，如图1所示。其中水滴撞击极限与局部水滴收集系数是撞击特性的重要参数。
[0003]格子玻尔兹曼方法是一种介观的计算流体力学方法，其建立了微观分子运动和宏观流体流动的桥梁，基于流体分子在网格格点的碰撞迁移理论求解速度分布函数(particle distribution function,PDF)，从而获得网格格点上的宏观物理量，比如速度，密度，压力等。图2为二维情况下流体分子的演化示意图，可以看出流体分子在8个方向上进行迁移。格子玻尔兹曼的计算尺度是介观的，以图2为例，可以理解为，通过研究流场中每个格子上具有8个方向运动趋势的流体分子微团来研究整个流场的运动，该微团并非单个流体分子，而是具有相同运动趋势的流体分子组成的微团，该微团比分子大但又远小于宏观模型的控制体。利用微观粒子的速度分布函数演化，可以更加直观的描述流体组分间的相互作用。因此，格子玻尔兹曼方法在多相态、多组分的复杂流动现象方面受到了很大的关注。
[0004]现有的技术方案中，欧拉法求解水滴撞击特性的方法是空气
‑
水滴两相流法(参考：林贵平，卜雪琴，申晓斌，郁嘉.飞机结冰与防冰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2016.)，两相流即气相和液相两种相态。欧拉法将水滴看成连续相，再引入水滴容积分数的概念后，求解水滴运动的连续方程和动量方程，其中水滴容积分数的定义是水滴相在控制体所占的体积与总控制体积之比。欧拉法计算的尺度是宏观的，宏观模型可以理解为，通过研究流场中一个个固定的有限控制体从而研究流场运动，其中有限控制体中包含有一定数量的流体分子以及流体分子的无序运动。在结冰应用中，欧拉法在宏观控制体的前提下计算水滴撞击特性，目标是模拟宏观的结冰冰型即只关注冰的主要特征。因此，欧拉法不考虑分子间作用的影响，也不考虑水滴的破碎现象，并且，欧拉法的水滴收集率算法中，水滴流场与空气流场是相对独立的两套计算体系，空气流场在经过迭代后施加作用力到水滴流场上，进而实现水滴流场的运动与迭代。实际情况下，几微米的水滴和空气之间的相互作用以及水滴的二次碰撞和破碎，会影响水滴撞击特性从而影响结冰，并且，空气、水滴运动的过程涉及相同分子和不同分子之间的相互碰撞和相互作用，通常会出现反常扩散等现象。为了捕捉这些特征，需要从流体分子运动的尺度上研究水滴撞击特性问题。从分子运动的微观尺度计算来说由于计算机的限制，其模拟的分子个数十分有限，并不适合模拟大量分子的运动，介观尺度方法中针对多组分气体运动问题的离散速度法，由于方法的复杂，其只能运用于低维、简单的运动，对于结冰的复杂流动并不适用。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对在流体分子运动的介观尺度上研究表面结冰水滴撞击问题，提供了一种新的基于格子玻尔兹曼方法计算表面结冰水滴撞击特性的方法。该方法可以计算空气
‑
水滴混合绕流流场中空气和水滴的运动状态、计算表面水滴撞击特性。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]一种基于格子玻尔兹曼方法计算表面结冰水滴撞击特性的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：获取流场网格数据，所述流场为需要计算表面结冰水滴撞击特性的物体周围流场；
[0009]步骤2：设定流场初始参数，包括空气的初始速度u
1，0
、空气的初始密度ρ
1，0
、水气的初始速度u
2，0
、水气的初始密度ρ
2，0
、混合流体的初始速度u0；
[0010]利用设定的流场初始参数计算空气组分平衡态分布初始函数f
α1(eq0)
和水气组分平衡态分布初始函数f
α2(eq0)
；
[0011]利用空气组分平衡态分布函数和水气组分平衡态分布函数分别对应计算空气组分和水气组分的宏观量：空气密度ρ1、空气速度u1、水气密度ρ2、水气速度u2；并利用空气组分和水气组分的宏观量计算混合流体的宏观量：密度ρ、速度u、压力p；
[0012]步骤3：根据空气组分和水气组分的宏观量以及混合流体的宏观量，计算得到空气组分平衡态速度分布函数以及水气组分平衡态速度分布函数
[0013]步骤4：根据步骤3得到的空气组分平衡态速度分布函数以及水气组分平衡态速度分布函数计算碰撞项：
[0014]空气组分碰撞项其中：为空气组分速度分布函数，在进行第一次迭代时该速度分布函数为步骤2求得的τ为自体碰撞松弛时间；
[0015]水气组分碰撞项其中：为水气组分速度分布函数，在进行第一次迭代时该速度分布函数为步骤2求得的τ
12
为互体碰撞松弛时间；
[0016]步骤5：利用步骤4得到的空气组分碰撞项和水气组分碰撞项根据公式
[0017][0018]计算碰撞后的速度分布函数，包括空气速度分布函数和非网格格点上的水气速度分布函数
[0019]其中为当前计算步的速度分布函数；为上一时间步的速度分布函数，当计算为第一次时，为对应组分的平衡态分布初始函数；为步骤4计算得到的对应组分的碰撞项；
[0020]再由非网格格点上的水气速度分布函数插值得到网格格点上的水气速度分布函数
[0021]步骤6：计算流场边界处的速度分布函数；
[0022]步骤7：由步骤5求得的空气组分和水气组分的速度分布函数，计算各组分的密度
和宏观速度及压力，以及混合流体的密度、速度和压力；
[0023]步骤8：判断是否达到收敛条件，如果达到收敛条件，则输出流场的计算结果，否则返回步骤3；
[0024]步骤9：利用步骤8得到的流场计算结果，利用公式
[0025][0026]计算局部水滴收集系数β，其中ρ2为步骤8输出的水气的密度、ρ
ref
为水气的参考密度、MVD为平均水滴直径、MVD
air
为气相水粒子平均直径、n为水分子聚合数、为0摄氏度时空气的密度。
[0027]进一步的，步骤1中获取的流场网格数据包括为实现流场计算而所需的网格特征参数、边界点LBM网格数据文件、流场点LBM网格数据文件、网格单元连接关系数据文件以及网格单元信息文件。
[0028]进一步的，步骤2中，空气组分平衡态分布初始函数公式为：
[0029][0030]其中c
s,1
为空气组分格子声速，c1为空气组分格子速度；为计算模型速度分布，w
α
为各方向速度分布的权重；
[0031]水气组分平衡态速度分布初始函数公式为：
[0032][0033]其中与分布本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于格子玻尔兹曼方法计算表面结冰水滴撞击特性的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获取流场网格数据，所述流场为需要计算表面结冰水滴撞击特性的物体周围流场；步骤2：设定流场初始参数，包括空气的初始速度u
1，0
、空气的初始密度ρ
1，0
、水气的初始速度u
2，0
、水气的初始密度ρ
2，0
、混合流体的初始速度u0；利用设定的流场初始参数计算空气组分平衡态分布初始函数和水气组分平衡态分布初始函数利用空气组分平衡态分布函数和水气组分平衡态分布函数分别对应计算空气组分和水气组分的宏观量：空气密度ρ1、空气速度u1、水气密度ρ2、水气速度u2；并利用空气组分和水气组分的宏观量计算混合流体的宏观量：密度ρ、速度u、压力p；步骤3：根据空气组分和水气组分的宏观量以及混合流体的宏观量，计算得到空气组分平衡态速度分布函数以及水气组分平衡态速度分布函数步骤4：根据步骤3得到的空气组分平衡态速度分布函数以及水气组分平衡态速度分布函数计算碰撞项：空气组分碰撞项其中：为空气组分速度分布函数，在进行第一次迭代时该速度分布函数为步骤2求得的τ为自体碰撞松弛时间；水气组分碰撞项其中：为水气组分速度分布函数，在进行第一次迭代时该速度分布函数为步骤2求得的τ
12
为互体碰撞松弛时间；步骤5：利用步骤4得到的空气组分碰撞项和水气组分碰撞项根据公式计算碰撞后的速度分布函数，包括空气速度分布函数和非网格格点上的水气速度分布函数其中为当前计算步的速度分布函数；为上一时间步的速度分布函数，当计算为第一次时，为对应组分的平衡态分布初始函数；为步骤4计算得到的对应组分的碰撞项；再由非网格格点上的水气速度分布函数插值得到网格格点上的水气速度分布函数步骤6：计算流场边界处的速度分布函数；步骤7：由步骤5求得的空气组分和水气组分的速度分布函数，计算各组分的密度和宏观速度及压力，以及混合流体的密度、速度和压力；步骤8：判断是否达到收敛条件，如果达到收敛条件，则输出流场的计算结果，否则返回步骤3；
步骤9：利用步骤8得到的流场计算结果，利用公式计算局...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑为民，石达志，李世杰，邱奥祥，安博，李栋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：