三维笛卡尔网格的结冰数值模拟

论文摘要

飞机结冰对于飞机飞行安全是一种严重的威胁,因此有必要对飞机结冰现象展开研究。本文提供一种三维笛卡尔网格的结冰数值模拟的方法,在网格生成、流场计算、水滴轨迹计算以及水滴撞击特性、结冰数学模型等方面进行了研究。本文主要研究内容如下:首先,研究了三维笛卡尔网格的生成方法及流场计算方法。采用八叉树数据结构,介绍了快速邻居查找以及网格类型判定的方法,研究了三维情况下的虚拟单元法,并研究了网格重构方法;采用三维Euler方程作为流场求解控制方程,对其进行空间与时间离散,引入人工耗散项,使用当地时间步长法实现加速收敛。并进行算例计算来验证本文方法的正确性,并分析得出结冰对飞机的气动性能有着恶劣影响。其次,对水滴轨迹计算进行了研究。介绍了拉格朗日法的水滴轨迹求解方法,对水滴位置在笛卡尔网格中的位置以及水滴轨迹与三维物面撞击点位置的检索方法进行了研究,求解出物面单元的局部水滴收集系数,与试验数据对比验证本文方法的正确性。最后,对三维物面的结冰计算展开了研究。建立三维结冰数学模型,阐述模型质量和能量守恒方程的各项式的含义以及求解方法,采用基于空气压力梯度和剪切应力的溢流水分配原则,使用校正法计算对流换热系数,采用校正迭代法求解出结冰量,冰形生长时采用物面单元各点处生长。并对不同结冰条件下翼型得出多组计算结果,验证结冰模型的正确性以及明确温度、攻角变化对冰形的影响,并对多步法的优越性进行验证。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 注释表
• 第一章 绪论
•   1.1 飞机结冰现象及其危害
•   1.2 飞机结冰研究方法
•     1.2.1 国内外结冰风洞方面现状
•     1.2.2 国内外结冰数值模拟方面现状
•   1.3 笛卡尔网格介绍
•   1.4 本文研究目标和主要工作
• 第二章 三维笛卡尔网格生成方法及流场计算
•   2.1 三维笛卡尔网格生成方法
•     2.1.1 笛卡尔网格的数据结构
•     2.1.2 父子单元流场值关系
•     2.1.3 邻居单元查找方法
•     2.1.4 网格类型判定
•     2.1.5 虚拟单元法
•   2.2 流场计算
•     2.2.1 控制方程的求解
•     2.2.2 空间离散
•     2.2.3 时间离散
•     2.2.4 当地时间步长法
•     2.2.5 远场边界条件
•   2.3 网格重构及重构后的流场计算
•   2.4 算例验证
•     2.4.1 结冰前网格生成
•     2.4.2 结冰前的流场计算验证
•     2.4.3 网格重构以及流场计算结果分析
•   2.5 本章小结
• 第三章 水滴轨迹计算
•   3.1 水滴参数
•   3.2 两种水滴轨迹计算方法
•     3.2.1 欧拉法
•     3.2.2 拉格朗日法
•   3.3 水滴位置判定
•   3.4 水滴撞击点位置判定
•   3.5 算例验证
•   3.6 本章小结
• 第四章 结冰计算和结果分析
•   4.1 三维结冰模型的建立
•   4.2 模型的求解方法
•     4.2.1 具体求解方法
•     4.2.2 对流换热系数的求解
•   4.3 冰生长计算
•   4.4 算例验证及结果分析
•     4.4.1 结冰模型可行性验证
•     4.4.2 温度对冰形的影响分析
•     4.4.3 攻角对冰形的影响分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 主要工作内容和意义
•   5.2 后续工作和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李胜超

导师: 朱春玲

关键词: 飞机结冰,结冰数值模拟,三维笛卡尔网格,水滴轨迹,三维结冰数学模型

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,航空航天科学与工程

单位: 南京航空航天大学

分类号: V321.229

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000663

总页数: 70

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