CN111539072B - 一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于航空领域，提供了一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法和系统，首先针对结冰风洞试验中获取的冰形轮廓线，采用冰形几何轮廓线数字化方法，获得冰形轮廓线离散坐标点，进而针对冰形离散点，建立冰形类型判定准则对冰形类型进行判定，并根据不同的冰形类型计算对应的冰形特征参数。本发明的评估方法和系统适用于大规模的试验冰形冰角量化评估任务，计算方法中不涉及复杂的数学公式和耗时的数值迭代过程，可以快速高效的完成冰形冰角量化评估。

Description

一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法和系统

技术领域

本发明属于航空领域，尤其涉及一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法和系统。

背景技术

当飞机在云层中飞行时，云层中的过冷水滴(即温度低于冰点的液态水滴)会不断撞击飞机迎风面，导致其表面发生结冰现象。飞机结冰广泛存在于飞行实践中，并严重威胁飞行安全。结冰风洞是开展飞机结冰研究及飞机部件防除冰系统验证的重要地面试验设备，其在飞机结冰适航审定中扮演着重要角色。结冰风洞试验中，积冰外形几何轮廓是最重要的结冰试验结果，是临界冰形选取、防除冰系统性能评估、冰模研制等试验目标的关键参数。

结冰风洞试验冰形主要包括流向冰和角状冰两大类，其中流向冰对应霜冰结冰条件(环境温度较低，液态水含量较低)，而角状冰则普遍在明冰和混合冰结冰条件(环境温度较高，液态水含量较高)下形成。这两种冰形都具有明显的角状特征，其中流向冰普遍为单角结构，而角状冰普遍为双角结构。冰角是积冰影响飞机气动特性的重要特征，是冰形定量化评估的关键元素。

目前，结冰风洞普遍采用冰形绘制技术实现积冰二维几何轮廓的测量。该技术利用热刀切割积冰主体，使用铅笔在网格纸上描绘积冰切缝处的二维冰形轮廓，获得二维冰形轮廓线网格图纸。针对绘制的二维冰形网格图纸，通常采用视觉定性与简单测量相结合的评估方法，判断冰形类型和位置，计算冰形冰角的简单特征。这种方法显著受人为主观因素的影响，获得的冰角特征结果可靠性、适用性较差，尤其对于大量冰形试验结果，该方法处理效率较低，无法满足试验周期的要求。

针对结冰风洞试验冰形定量化处理问题，国内外结冰研究机构及学者均开展了一些研究，发展了一些量化评估方法，但是这些方法在实际工程应用中仍存在一些缺陷，缺乏系统、高效的结冰风洞试验冰形量化评估方法。国外，美国NASAGlenn中心为验证结冰计算程序和结冰相似准则，率先对结冰风洞试验冰形定量化处理问题开展了研究，发展了试验冰形与计算冰形定量化比较评估方法，形成了THICK冰形特征参数计算程序，初步实现了冰形特征参数的定量计算，但是该方法无法区分流向冰和角状冰，同时角状冰上下冰角范围仅简单的通过前缘点进行区分，普适性较差。

而在国内，相关研究较少，近年来，随着大型结冰风洞-3米×2米结冰风洞的建成，在结冰试验的急迫需求牵引下，一些学者针对冰形相似度及简化问题开展了初步研究，发展了一些简化的量化评估方法，但是这些研究主要关注冰形特征参数的深度分析，缺乏试验冰形特征参数提取与计算的详细研究，无法完全满足结冰风洞试验中系统、高效、适用性强的冰形定量化评估需求。

发明内容

为解决结冰风洞试验冰形面积量化评估问题，本发明提供一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法和系统，针对离散化的冰形和翼型数字点进行计算，计算中不涉及复杂的数学公式和数值迭代过程，可以快速高效的完成冰形特征参数的定量计算，适用于大规模的试验冰形冰角量化评估任务。

本发明是这样实现的，一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，包括如下步骤：

(1)数字化冰形几何轮廓线

对试验中绘制的冰形轮廓线网格图纸进行数字化扫描，定义数字化坐标系，提取翼型和冰形轮廓线离散坐标点，绘制冰形轮廓线图；

(2)计算积冰厚度分布

针对数字化的冰形和翼型离散点，计算积冰厚度分布；

(3)根据翼型试验攻角α，确定冰形分界点I_D

3-1.计算各冰形离散点i对应的积冰厚度线与X轴的夹角θ；

3-2.将各冰形离散点处θ与试验攻角α对比，当角度差绝对值小于设定值时，即选择该冰形离散点为冰形分界点I_D；

(4)判断冰形类型和冰角区域

4-1.以冰形分界点I_D为界，将冰形离散点分为上冰形区和下冰形区，计算上下冰形区内的最大积冰厚度T_u和T_l；

式中，N_IS表示冰形总离散点个数；同时记录上下冰形区最大厚度对应的冰形离散点序号I_u和I_l，以及翼型投影点序号J_u和J_l；

4-2.将分界点编号I_D与I_u、I_l进行比较：

如果I_D＝I_u或I_l，则冰形为流向冰形，仅有单冰角结构；

如果I_D≠I_u且I_D≠I_l，则冰形为角状冰形，包括上下两个冰角，其中I_D同时为上下冰角区分界点；

(5)根据确定的冰形类型，进行冰角特征参数计算。

进一步地，步骤(2)中，计算冰形各离散点与翼型所有离散点间的距离，选取其中最短距离作为冰形离散点到翼型的积冰厚度T_i，同时记录对应的翼型投影点序号J_i，

式中，X_IS,i和Y_IS,i表示冰形离散点i对应的横纵坐标，X_A,j和Y_A,j表示翼型离散点j对应的横纵坐标，N_A表示翼型总离散点个数。

进一步地，步骤3-1中，夹角θ根据下式进行计算：

式中，X_IS,i和Y_IS,i表示冰形离散点i对应的横纵坐标，T_i为积冰厚度，X_A,Ji和Y_AJi表示翼型离散点J_i对应的横纵坐标。

进一步地，步骤5中，计算以下冰角特征参数：

流向冰形的冰角特征参数包括：冰角厚度T_s、冰角角度θ_s；

角状冰形的冰角特征参数包括：上冰角厚度T_du、下冰角厚度T_dl、上冰角角度θ_du、下冰角角度θ_dl。

流向冰形的冰角特征参数采用如下方法计算：5-1.计算冰角厚度T_s：

式中，T_i为冰形离散点i对应的积冰厚度；

记录冰角厚度T_s对应的冰形离散点序号I_s；

5-2.计算冰角角度θ_s：

式中，X_IS,Is和Y_IS,Is表示冰形离散点I_s对应的横纵坐标。

角状冰形的冰角特征参数采用如下方法计算：

5-3.计算上下冰角厚度T_du和T_dl：

记录上下冰角厚度T_du和T_dl对应的冰形离散点序号I_du和I_dl；

5-4.计算上下冰角角度θ_du和θ_dl：

式中，X_IS,Idl和Y_IS,Idl表示冰形离散点I_dl对应的横纵坐标；X_IS,Idu和Y_IS,Idu表示冰形离散点I_du对应的横纵坐标。

进一步地，定义数字化坐标系的具体方法为：将翼型前缘点设为坐标原点，X轴沿翼型弦线，指向翼型尾部，Y轴从翼型下翼面指向上翼面。

本发明还提供一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估系统，包括扫描仪、坐标系设定模块和冰角量化评估模块，其中，

扫描仪用于扫描试验中绘制的冰形轮廓线网格图纸；

坐标系设定模块用于定义数字化坐标系；

冰角量化评估模块用于执行前述的结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法。

本发明还提供一种存储介质，存储了用于执行如上结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法的计算机程序。

本发明针对结冰风洞试验中获取的冰形轮廓线，采用冰形几何轮廓线数字化方法，获得冰形轮廓线离散坐标点，进而针对冰形离散点，建立冰形类型判定准则，再根据冰形类型计算冰角特征参数，计算中不涉及复杂的数学公式和数值迭代过程，可以快速高效的完成冰形特征参数的定量计算，适用于大规模的试验冰形冰角量化评估任务。

同时，采用本发明的评估系统，有助于实现参数自动化计算，既能提高计算精度又能提高计算效率。

本发明可以有效解决结冰风洞试验冰形面积的量化评估问题，实现冰形的定量化后处理，为临界冰形选取、防除冰系统性能评估、冰模研制等多种试验需求提供技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明结冰风洞试验冰形面积计算流程图；

图2是本发明实施例的冰形扫描图片；

图3是本发明所定义的数字化坐标系；

图4是本发明实施例的冰形数字化轮廓线图；

图5是本发明实施例的积冰厚度分布图；

图6是本发明实施例的冰形分界点示意图；

图7a是本发明实施例的流向冰形的判定示意图；

图7b是本发明实施例的角状冰形的判定示意图；

图8是流向冰冰角特征参数定义；

图9是角状冰冰角特征参数定义；

图10是另一实施例流向冰冰角特征参数计算结果示意图；

图11是又一实施例角状冰冰角特征参数计算结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)数字化冰形几何轮廓线

对试验中绘制的冰形轮廓线网格图纸进行数字化扫描，定义数字化坐标系，提取翼型和冰形轮廓线离散坐标点，绘制冰形轮廓线图；

具体地，

1-1.利用大幅面扫描仪，扫描冰形轮廓线网格图纸，输出数字化冰形轮廓线图片如图2所示；

1-2.定义数字化坐标系，如图3所示，将翼型前缘点设为坐标原点，X轴沿翼型弦线，指向翼型尾部，Y轴从翼型下翼面(压力面)指向上翼面(吸力面)；

1-3.利用图片数字化软件对冰形图片进行数字化处理，提取有序的翼型和冰形轮廓线离散化坐标点；

1-3-1.按照步骤1-2定义的坐标系，提取翼型轮廓线离散化坐标点，提取顺序从翼型最上部(Y坐标最大值处)沿翼型表面到翼型最下部(Y坐标最小值处)。

1-3-2.提取冰形轮廓线离散化坐标点，提取顺序从翼型上翼面冰形轮廓线起点出发，沿冰形轮廓线轨迹，到下翼面冰形轮廓线终点结束。对于冰形轮廓线不连续的间断区域，以翼型轮廓线离散点代替。

提取数字点时，应尽量减小数字点间距，以最大程度地保留冰形和翼型细节信息。

1-4.以模型弦长为特征长度，对提取的冰形轮廓线离散化坐标点进行无量纲化处理，绘制无量纲化的冰形轮廓线图。流向冰和角状冰两种典型冰形轮廓线如图7a和7b所示。

(2)计算积冰厚度分布

针对数字化的冰形和翼型离散点，计算积冰厚度分布，具体步骤为：

以翼型前缘点为原点，计算翼型各离散点j沿翼型表面到原点的距离S_j，其中上翼面处S_j为正，下翼面处为负，j＝1对应上翼面最大S处。S_j表示为：

式中，X_A,k和Y_A,k表示翼型离散点k对应的横纵坐标，N_o表示翼型前缘点对应的翼型离散点数组序号。

计算冰形各离散点与翼型所有离散点间的距离，选取其中最短距离作为冰形离散点到翼型的积冰厚度T_i，同时记录对应的翼型投影点序号J_i，

式中，X_IS,i和Y_IS,i表示冰形离散点i对应的横纵坐标，X_A,j和Y_A,j表示翼型离散点j对应的横纵坐标，N_A表示翼型总离散点个数。

以冰形离散点的积冰厚度T为纵坐标，以对应翼型离散点翼面距离S为横坐标，绘制积冰厚度分布图，如图5所示。

(3)根据翼型试验攻角α，确定冰形分界点I_D

3-1.计算各冰形离散点i对应的积冰厚度线与X轴的夹角θ；

式中，X_IS,i和Y_IS,i表示冰形离散点i对应的横纵坐标，T_i为积冰厚度，X_A,Ji和Y_AJi表示翼型离散点J_i对应的横纵坐标。

3-2.将各冰形离散点处θ与试验攻角α对比，当角度差绝对值小于设定值时，即选择该冰形离散点为冰形分界点I_D，如图6所示。

由于计算得到的θ不一定与α完全相等，一般会存在一个很小的偏差，因此设定一个误差范围，即上述设定值，该设定值的取值根据结冰风洞角度控制精度来确定，此处将设定值取值为0.2°。

试验攻角α为实验时设定的实验参数，不同试验取值不同。

(4)判断冰形类型和冰角区域

4-1.以冰形分界点I_D为界，将冰形离散点分为上冰形区和下冰形区，计算上下冰形区内的最大积冰厚度T_u和T_l；

式中，N_IS表示冰形总离散点个数；同时记录上下冰形区最大厚度对应的冰形离散点序号I_u和I_l，以及翼型投影点序号J_u和J_l；

4-2.将分界点编号I_D与I_u、I_l进行比较：

如果I_D＝I_u或I_l，则冰形为流向冰形，仅有单冰角结构，如图7a所示；

如果I_D≠I_u且I_D≠I_l，则冰形为角状冰形，包括上下两个冰角，其中I_D同时为上下冰角区分界点，如图7b所示；

(5)根据确定的冰形类型，进行冰角特征参数计算。

根据冰形特征，典型流向冰形的冰角特征参数包括：冰角厚度T_s、冰角角度θ_s，如图8所示，分别定义为：冰角厚度T_s，定义为冰角尖部到翼型表面的最短距离，即翼型前缘最大积冰厚度；冰角角度θ_s，定义为冰角尖部与坐标系原点间连线与坐标系X轴的夹角，角度按逆时针方向增大。

流向冰形的冰角特征参数采用如下方法计算：

1.计算冰角厚度T_s：

式中，T_i为冰形离散点i对应的积冰厚度；

记录冰角厚度T_s对应的冰形离散点序号I_s；

2.计算冰角角度θ_s：

式中，X_IS,Is和Y_IS,Is表示冰形离散点I_s对应的横纵坐标。

典型角状冰形的冰角参数，如图9所示，包括上冰角厚度T_du、下冰角厚度T_dl、上冰角角度θ_du、下冰角角度θ_dl四个特征参数：上冰角厚度T_du，定义为上冰角尖部到翼型表面的最短距离；下冰角厚度T_dl，定义为下冰角尖部到翼型表面的最短距离；上冰角角度θ_du，定义为上冰角尖部与坐标系原点间连线与坐标系X轴的夹角，角度按逆时针方向增大；下冰角角度θ_dl，定义为下冰角尖部与坐标系原点间连线与坐标系X轴的夹角，角度按逆时针方向增大。

角状冰形的冰角特征参数包括：上冰角厚度T_du、下冰角厚度T_dl、上冰角角度θ_du、下冰角角度θ_dl。

角状冰形的冰角特征参数采用如下方法计算：

3.计算上下冰角厚度T_du和T_dl：

记录上下冰角厚度T_du和T_dl对应的冰形离散点序号I_du和I_dl；

3.计算上下冰角角度θ_du和θ_dl：

式中，X_IS,Idl和Y_IS,Idl表示冰形离散点I_dl对应的横纵坐标；X_IS,Idu和Y_IS,Idu表示冰形离散点I_du对应的横纵坐标。

实施例2

采用本发明的一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，计算了流向冰形的冰角特征参数，如图10所示，该冰形冰角厚度T_s和角度θ_s分别为0.033和199°。

实施例3

采用本发明的一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，计算了角状冰形的冰角特征参数，如图11所示，中上冰角厚度T_du和角度θ_du分别为0.11和147°，下冰角厚度T_dl和角度θ_dl分别为0.102和236°。

结果表明，本发明可以准确的提取并计算典型冰形冰角特征参数，可以有效解决结冰风洞试验冰形冰角的定量化评估问题，为临界冰形选取、防除冰系统性能评估、冰模研制等试验目标提供技术支撑。

实施例4

一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估系统，包括扫描仪、坐标系设定模块和冰角量化评估模块，其中，扫描仪用于扫描试验中绘制的冰形轮廓线网格图纸，输出数字化冰形轮廓线图片；坐标系设定模块用于定义数字化坐标系；

冰角量化评估模块用于执行本发明的结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法。

使用时，先用扫描仪扫描试验中绘制的冰形轮廓线网格图纸，输出数字化冰形轮廓线图片；实验人员手动定义数字化坐标，或者评估系统自动定义数字化坐标系，由实验人员手动确认；系统自动提取翼型和冰形轮廓线离散化坐标点，并按照本发明的结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法自动进行冰形类型判定，再根据判定的冰形类型计算冰角特征参数并输出。由此大大减轻了实验人员的工作量，提高了试验效率和计算的准确性。

本发明还提供一种存储介质，存储了用于执行如上结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法的计算机程序。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)数字化冰形几何轮廓线

对试验中绘制的冰形轮廓线网格图纸进行数字化扫描，定义数字化坐标系，提取翼型和冰形轮廓线离散坐标点，绘制冰形轮廓线图；

(2)计算积冰厚度分布

针对数字化的冰形和翼型离散点，计算积冰厚度分布；

(3)根据翼型试验攻角α，确定冰形分界点I_D

3-1.计算各冰形离散点i对应的积冰厚度线与X轴的夹角θ；

3-2.将各冰形离散点处θ与试验攻角α比，当角度差绝对值小于设定值时，即选择该冰形离散点为冰形分界点I_D；

(4)判断冰形类型和冰角区域

4-1.以冰形分界点I_D为界，将冰形离散点分为上冰形区和下冰形区，计算上下冰形区内的最大积冰厚度T_u和T_l；

式中，N_IS表示冰形总离散点个数；同时记录上下冰形区最大厚度对应的冰形离散点序号I_u和I_l，以及翼型投影点序号J_u和J_l；

4-2.将分界点I_D与I_u、I_l进行比较：

如果I_D＝I_u或I_l，则冰形为流向冰形；

如果I_D≠I_u且I_D≠I_l，则冰形为角状冰形，其中I_D同时为上下冰角区分界点；

(5)根据确定的冰形类型，进行冰角特征参数计算：

流向冰形的冰角特征参数包括：冰角厚度T_s、冰角角度θ_s；

角状冰形的冰角特征参数包括：上冰角厚度T_du、下冰角厚度T_dl、上冰角角度θ_du、下冰角角度θ_dl；

所述流向冰形的冰角特征参数采用如下方法计算：

5-1.计算冰角厚度T_s：

式中，T_i为冰形离散点i对应的积冰厚度；

记录冰角厚度T_s对应的冰形离散点序号I_s；

5-2.计算冰角角度θ_s：

式中，X_IS,Is和Y_IS,Is表示冰形离散点I_s对应的横纵坐标；

所述角状冰形的冰角特征参数采用如下方法计算：

5-3.计算上下冰角厚度T_du和T_dl：

记录上下冰角厚度T_du和T_dl对应的冰形离散点I_du和I_dl；

5-4.计算上下冰角角度θ_du和θ_dl：

式中，X_IS,Idl和Y_IS,Idl表示冰形离散点I_dl对应的横纵坐标；X_IS,Idu和Y_IS,Idu表示冰形离散点I_du对应的横纵坐标。

2.如权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，其特征在于，所述步骤(2)中，计算冰形各离散点与翼型所有离散点间的距离，选取其中最短距离作为冰形离散点到翼型的积冰厚度T_i，同时记录对应的翼型投影点序号J_i，

式中，X_IS,i和Y_IS,i表示冰形离散点i对应的横纵坐标，X_A,j和Y_A,j表示翼型离散点j对应的横纵坐标，N_A表示翼型总离散点个数。

3.如权利要求1或2所述的一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，其特征在于，所述步骤3-1中，夹角θ根据下式进行计算：

式中，X_IS,i和Y_IS,i表示冰形离散点i对应的横纵坐标，T_i为积冰厚度，X_A,Ji和Y_AJi表示翼型投影点J_i对应的横纵坐标。

4.如权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法，其特征在于，所述的定义数字化坐标系的具体方法为：将翼型前缘点设为坐标原点，X轴沿翼型弦线，指向翼型尾部，Y轴从翼型下翼面指向上翼面。

5.一种结冰风洞试验冰形冰角量化评估系统，其特征在于，包括扫描仪、坐标系设定模块和冰角量化评估模块，其中，

扫描仪用于扫描试验中绘制的冰形轮廓线网格图纸；

坐标系设定模块用于定义数字化坐标系；

冰角量化评估模块用于执行权利要求1-4任一所述的结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法。

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储了用于执行权利要求1-4任一所述的结冰风洞试验冰形冰角量化评估方法的计算机程序。

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