基于LBM和自适应直角网格的翼面结冰过程数值研究

翼面结冰是由于过冷水滴撞击翼面并冻结形成，是危害飞行安全的重要因素之一。本项目为克服传统CFD数值计算方法的不足，拟采用基于微观粒子背景的LBM(Lattice Boltzmann Method)，运用自适应直角网格，针对航空气动外形绕流流场特性，通过在压缩性影响、高雷诺数流动模拟、边界条件处理等几个方面对LBM的完善和补充，开展翼面结冰过程的数值研究，主要探讨过冷水滴（尤其是过冷大水滴）在翼面绕流流场中的运动轨迹计算、水滴与翼面的撞击特性分析，以及对考虑传质传热的结冰热力学模型的改进修正，在此基础上研究气象条件、流场因素对结冰过程及结冰形状的影响规律，为翼面结冰数值研究提供一种高效高精度的计算方法，同时拓展LBM的应用领域。此项目的研究有助于进一步深入认识结冰机理，完善结冰计算模型，揭示结冰影响规律，对结冰强度预测、除/防冰装置设计、结冰适航条例验证等具有非常重要的科学意义和应用价值。

飞机结冰是由于过冷水滴撞击机体表面并冻结形成，翼面结冰会使升力下降且阻力增加，是危害飞行安全的重要因素之一。本项目为克服传统CFD数值计算方法的不足，采用Lattice Boltzmann Method（LBM），选取某典型翼型作为研究对象，运用自适应直角网格，完成翼面结冰过程的数值研究。.与传统CFD方法相比，LBM的演化过程物理图像清晰、不受连续介质限制，可方便地处理不同组分或相态之间的相互作用。为了适应结冰研究时翼型绕流特性，在压缩性影响、高雷诺数流动模拟、边界条件处理等几个方面对LBM进行完善和补充。基于LBM的经典模型D2Q9模型，考虑压缩性影响，采用三种不同的处理思路及模型：多速度模型、比热比可调模型、双分布函数模型。以上处理各有优缺点，双分布函数模型的基本思想是在原有的不可压模型基础上加入一个总能分布函数，必须选取对称性更好的离散速度配置，采用D2Q13可增加必要的离散速度。为了能够较好的模拟高雷诺数流动，分别采用多松弛时间模型、基于大涡模拟LBM、在LBM中引入湍流模型的三种不同方法。对于边界条件的处理，主要涉及远场边界、物面边界和分层边界。边界条件处理方法，采用结合空间插值的非平衡外推格式，将边界节点的分布函数分为平衡态和非平衡态两部分，平衡态部分由边界处的物理定义获得，非平衡态部分由相邻节点的插值获得，对比而言该方法具有较好的数值稳定性。在以上研究工作的基础上，采用LBM和自适应直角网格方法，建立空气-水滴两相流模型，完成过冷水滴运动轨迹计算和水滴撞击特性分析，并通过对考虑传质传热的结冰热力学模型的改进修正，获得了翼型结冰冰型及其随时间历程变化的数值计算结果。讨论和分析了水滴与水滴之间以及水滴与空气之间的相互作用，水滴的变形、破裂以及飞溅等动力学过程及其对结冰过程的影响，表面粗慥度对结冰计算模型的影响修正，以及与溢流现象密切相关的冰脊的形成机理和过程，在此基础上对比分析和研究气象条件、流场因素等对结冰过程及结冰形状的影响规律。.本项目研究为结冰数值研究提供了一种新的计算途径，同时拓展了LBM的应用领域；有助于进一步深入认识结冰机理，完善结冰计算模型，揭示结冰影响规律，对结冰预测、除防冰装置设计、结冰适航验证等具有重要的科学意义和应用价值。