飞机结冰数值模拟中的网格重构及多物理场耦合方法研究

发布时间：2020-07-03 23:54

【摘要】：结冰是飞机飞行过程中普遍存在的一种自然现象,给飞机飞行带来重大安全隐患,严重时导致坠机事故发生,飞机结冰问题已成为航空界的一个重要的研究课题。由于受实验成本、实验条件等因素影响,一定程度上限制了基于结冰风洞的实验方法以及飞行试验方法的应用。随着计算机技术和数值计算方法的发展,基于CFD方法的数值模拟成为研究飞机结冰问题重要的研究手段。由于结冰后结构几何外形往往变得比较复杂,对CFD方法中的网格重构方法提出了很高要求。同时,结冰过程的计算需要耦合CFD求解器、结冰热力学求解器进行仿真,迫切需要适用于大规模并行计算的多物理场耦合方法。本文针对上述两个问题进行研究,研究结冰后流场网格重构方法,以改善网格的质量,进而实现多步积冰后较好的预测冰层形状。研究结冰过程中多物理场耦合方法是将流场计算模块、结冰计算模块和网格重构模块耦合起来,协调模块间的数据传递和同步,实现多种软件之间的高效耦合计算。本文的研究工作主要包括:1.开发了基于拉格朗日方法的水滴轨迹、碰撞和收集系数求解程序;采用经典Messinger结冰热力学模型,通过质量守恒和能量守恒方程,编写了计算结冰厚度和翼型边界点的位移的程序,并进行了验证。2.针对结冰后的物面边界需要重新进行网格重构问题,发展了一种基于扩散方程的动网格计算方法,采用扩散方程描述结点位移,使用有限元方法计算结点在不同方向上的位移,分析了结点位移之间不耦合的原因,通过引入结点旋转方法,改善网格质量差,该方法通过自编程序实现。3.基于远程过程调用技术,在多物理场耦合平台上,将CFD、结冰计算程序和网格重构程序结合起来计算,实现各计算模块之间的数据传递和同步,以加速结冰数值仿真速度。4.完成了典型结冰算例的验证,结果表明,本文方法和计算程序具有较好的计算精度和适应性。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V321.229;V244.15
【图文】：

1.1.1飞机结冰现象在结冰气象条件下，云层中的过冷水滴与飞机发生撞击，并在飞机表面聚集成冰层，这一现象称为飞机结冰现象，飞机结冰示意图如图 1.1 所示。飞机结冰对飞机的性能影响较大，影响着飞机的正常飞行，也是目前造成飞行安全事故的一个重要原因[2]。

（b）霜冰Fig 1.21.1.2结冰对飞机性能的影响（b）明冰 （c图 1.2 霜冰、明冰和混合冰示意图Ice-shaped schematic of frost, ice and mixed ice）混合冰

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本文编号：2740346