結冰計算的案例
Spring-ICE 結冰算法述評-（2）水滴軌跡計算
Spring-ICE系列前述兩篇文章：
1、飛機結冰的那些事
2、Spring-ICE 結冰算法述評-（1）水滴軌跡計算
今天要聊的內容，既常規又不常規。
說其常規，是因為水滴軌跡的計算是所有結冰計算的基礎算法，不可或缺，是必備技能。說其非常規是因為，盡管目前文獻對這個計算過程描述的已經足夠詳細，但是還有很多的技術細節，非實際操作而不可揣摩，正是這些具體的技術細節決定著計算的準確性、效率，甚至是整個結冰算法的設計邏輯。
我這段時間感悟，任何工程的東西，越涉及到基礎的和實踐的，自己必須要親自去試一試，做一做，且不能是簡單的感受下，而要做出效果，做出感悟。要一竿子插到底，摸到邊。
如果我做復材，我就要親自去做一做材料成型，研究試件加工，然后試驗測試，最后是結果處理。反復的想，整個過程和我仿真或者理論，哪些是對應的，哪些是不同的，這些不同會有什么影響，有些試驗現象的機理是什么，能不能從理論層面找到依據。
如果我們現在的身份不是一個學生，不是面向自己的課題。而是一個工程師面對一個項目，整個項目不是一個人能夠完成的，那么作為組織者，是不是給別人分個工，等著大家的結果就完事了？我想不是，即便沒有精力面面俱到，那么至少應該精通某一方面，然后瞄準項目的目標，搞清楚大家的工作和目標的聯系，然后對重點問題深入研究，要搞懂要把控。總而言之，必須實踐，必須講求細節。
1 水滴軌跡計算到底要干啥？
從結冰計算整個層面來說，所謂結冰就是水滴撞在機翼表面然后凍結的現象。水滴軌跡的計算，就是要搞清楚水滴會撞擊到機翼表面的哪些區域，每個區域水滴撞擊的量（即水滴收集量）是多少，為下一步的結冰物理計算提供輸入。
從算法的層面，水滴軌跡計算需要做以下工作：
（1）控制方程建立。說白了，水滴在流場中的運動，滿足什么方程。
（2）求解方程，計算軌跡。
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Spring-ICE 結冰算法述評-（3）水滴收集量計算
上回說到，水滴運動軌跡的計算。這一期就講，利用水滴軌跡的計算，得到翼面各區域一定時間內撞擊水量的計算，為下一步開展結冰熱力學算結冰量提供輸入。
最近這段時間一直在現場干體力活，這是我畢業兩年后再次長期干試驗。干的時候，腦子里經常閃現以前讀研天天泡在實驗室的場景，師兄弟們有說有笑，手里不停，嘴上不停。白天干累了，晚上喝喝酒，或者寫寫論文做做計算。畢業后的兩年，大部分時候都在辦公室，要么跑各種流程，要么畫網格傷眼睛，恍惚間已然忘記自己以前還是個干“手藝”活的。
年初疫情隔離期間就開始再次健身，就是怕胖（雖然沒胖過），畢竟快禿了，再一胖，自己都不認識自己了。這下好了，又回到了白天動身體，晚上動腦子的狀態，身上線條慢慢恢復，有一種勞資想干手藝就干手藝，想寫代碼就寫代碼的感覺，真好。
年齡這個東西真的很奇怪，我十六七歲的時候，拼命想練肌肉，那時候俯臥撐天天100，還是瘦的雞仔。10年過去，健壯了，也快禿了。
到目前唯一沒變的，還是對知識的熱愛吧，或許還有不知恥的自負。
1 水滴收集量怎么算
我們假定有一個水滴發射面，一齊向翼面上發射水滴，每個壁面單元（AB）必然在發射面上某兩個水滴發射位置覆蓋的范圍里（yi ~ yi+1），在這個范圍內的所有水滴都只能打到AB內，反之，亦然。
對于二維問題，（yi+1）-（yi）就是壁面單元AB的水滴收集量（當然還需要乘以軸向單位長度以及液態水含量還有時間，這里做簡化說明）。
為了便于統一比較，目前大家普遍引入水滴收集系數的概念，就是把[（yi+1）-（yi）]除以|AB|。
搞清了定義，其實計算大概思路基本就有了。只要搞清楚A、B兩點各自對應哪條水滴軌跡，水滴收集量就出來了。
展開 Spring-ICE 結冰算法述評-（5）對流換熱系數計算
系列文章詳見：
飛機結冰的那些事（1）
飛機結冰的那些事（2） Spring-Ice結冰軟件介紹
Spring-ICE 結冰算法述評-（2）水滴軌跡計算
Spring-ICE 結冰算法述評-（3）水滴收集量計算
Spring-ICE 結冰算法述評-（4）番外：簡單面元法
最近看書不少，寫字很多。
心血來潮的看了一些古文，看了一些近現代文章。小時候其實學了不少好文章，只是當時難見它們的好處所在。但用現在的眼光再看，可謂別有風味。
比如蘇軾的文章，他評論賈誼和張良的兩篇策論，放在現在看就是標準的議論文模板。開篇點題，再正論反論的小論點輔之以舉例舉史，最后定調收官。思路非常清晰，加上作者超一流的文字水平，“方今天下，舍我其誰哉”，讀起來非常暢快。
順著《賈誼論》，又找來賈誼的《治安策》，這次看的是譯文。只看這個題目，就不是一般人敢寫的。治安策，治國安天下之策也。想想我寫個技術報告都顫顫巍巍。帶著好奇心就看看這個治國安天下的報告是怎么個寫法。看完以后不禁感嘆，這分明是一份調研分析報告啊。
文章細數了當時大漢的內外危機，特別是如何處理諸侯國尾大不掉的問題，這個時候還沒到漢武帝時期，賈誼就分析大漢開國以來歷次諸侯國叛亂的共性，得出一個結論，啥結論呢？越小的封國越不會造反。順著這個思路，怎么處理諸侯國問題的答案就很明顯了，不是一把擼掉各國，而是增加封國，越多越好，封地越小越好。這個思想不就是后來的“推恩令”嘛。作者的總結洞察能力真是太厲害了
想想后世的偉人寫的很多調研報告，核心都是調研，分析，總結共性和異性，得出結論。這種天才般的洞察力和研究方法，很值得學習。
《治安策》的精彩之處遠不止此，要知道這個文章是寫給皇帝的，里面有些和“陛下”交心的話，寫的很有意思。
展開 
飛機結冰的那些事（2） Spring-Ice結冰軟件介紹
在之前的有一期說到，由于飛機機翼結冰計算的復雜性，工作室聯合航空院校及研究所，共同研發了基于Matlab的結冰計算軟件，本期就著重對該款軟件進行詳細介紹。不清楚之前機翼結冰相關背景知識的小伙伴可以看這個鏈接回顧一下：
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/536720
1。軟件背景介紹
這款結冰程序命名為Spring-Ice，結冰程序基于目前公開發表的結冰預測理論編寫而成，同時參考冰風洞試驗數據對程序進行了修正。該程序旨在提供一種臨界性與準確性兼顧的冰形計算工具（冰形計算器），以期應用于民機適航取證工作，作為Lewice、Fensap軟件的補充和驗證工具。
Spring-Ice結冰程序從2017年12月開始正式的編寫工作，至2018年3月完成水滴軌跡計算。
2018年6月流場的計算由有限元法變更為面元法。
2019年7月完成結冰模型程序的編寫。
2019年8月份完成與冰風洞試驗的對比以及界面制作。
2. 原理
Spring-Ice結冰程序主要模塊與原理如下：
1） 流場計算。流場計算采用面元法，提高了流場計算效率以及后續水滴軌跡的計算效率；
2） 水滴軌跡計算。采用拉格朗日法，并基于二分法預測水滴收集系數。目前針對二分法計算效率低的問題，研發團隊已經提出了特征線插值法，準備用于下一版本的軟件升級。
3） 結冰模型。基于經典Messinger結冰模型預測結冰量。
展開 ANSYS旗下有哪些專用CFD軟件
ENERGICO
CFD計算結果導入，Energico流場計算結果（速度、濃度、溫度等）自動生成空間反應網絡；特點：計算速度快，結果準確；使用場景：預測燃燒器污染物；預測貧油熄火極限。
FENSAP-ICE
FENSAP-ICE飛行結冰計算軟件是加拿大NTI公司研發的，專門計算飛機飛行時的結冰狀況，從而驗證飛機結冰時的飛行安全性，為完善飛機的防冰系統提供技術依據。該系統適用于各種飛機、旋翼機、噴氣機、發動機吊艙、探頭、探測器等。FENSAP-ICE涉及了飛機結冰中主要的五個方面：流場氣動計算、水滴撞擊計算、結冰計算、氣動力衰減及防、除冰熱傳導載荷計算。
Forte CFD
自從收購了專注于詳細化學反應模擬的專業公司—Reaction Desgin之后，ANSYS將其內燃機仿真產品Forte集成到Workbench內，使得ANSYS對內燃機的缸內仿真能力得到進一步的加強，并為發動機完整仿真流程提供了平臺基礎。Forte采用KIVA作為內核，并采用了先進的霧化、蒸發、燃燒計算模型，可在不顯著增加計算時間的前提下，對幾百種組分的燃燒現象進行準確模擬。從而可在較少調試的情況下對壓燃和敲缸現象進行精確模擬。其先進的煙氣生成機理，完全遵循實際煙氣生成機理，從而做到對污染物排放的準確預測。嵌入到workbentch里的Forte計算流程，繼承了原來的幾何處理、面網格劃分及與其他模塊無縫對接的優點，使得其仿真能力極大加強。
展開 機翼防冰布局方案設計
設計人員首先要知道機翼會結什么樣的冰，然后要獲取機翼結冰對飛機氣動特性的影響，再對比飛機氣動要求來布置機翼IPS。
整個過程說起來很簡單，但是所涉及工作繁多，需要大量的計算和試驗（結冰風洞試驗、測力風洞試驗）。下面從這個過程中需要的數值模擬方法方面給大家管中窺豹一下！
機翼會結什么樣的冰？
這個其實說來話長，長到適航規章專門用一個附錄C、一個附錄O來規定結冰的氣象條件。而飛機設計機構還要給出每個飛行階段的飛行包線、狀態來定義飛行條件。設計人員需要通過計算、結冰風洞試驗從上述條件中確定每個飛行階段對飛機氣動特性影響最惡劣的冰形。需要說明的是為了降低結冰風洞試驗的堵塞堵，需要在進行結冰風洞之前需要進行混合翼設計。同時為了試驗狀態在試驗設備的能力包線之內，需要進行結冰試驗參數相似轉換。
冰形的計算（二維）
混合翼設計
冰風洞試驗
機翼結冰對氣動特性的影響
飛機本身外形就特別復雜，流動就更復雜了。為了獲取飛機結冰前后的氣動特性，需要進行全機氣動力的計算。在計算前需要進行全機計算網格生成。全機計算網格生成一般分為結構網格生成和非結構網格生成。
全機流動復雜
全機結構網格拓撲
全機非結構網格
計算后處理
飛機帶冰前后計算結果的后處理，可用Tecplot或者CFD-Post進行。
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ENERGICO
CFD計算結果導入，Energico流場計算結果（速度、濃度、溫度等）自動生成空間反應網絡；特點：計算速度快，結果準確；使用場景：預測燃燒器污染物；預測貧油熄火極限。
FENSAP-ICE
FENSAP-ICE飛行結冰計算軟件是加拿大NTI公司研發的，專門計算飛機飛行時的結冰狀況，從而驗證飛機結冰時的飛行安全性，為完善飛機的防冰系統提供技術依據。該系統適用于各種飛機、旋翼機、噴氣機、發動機吊艙、探頭、探測器等。FENSAP-ICE涉及了飛機結冰中主要的五個方面：流場氣動計算、水滴撞擊計算、結冰計算、氣動力衰減及防、除冰熱傳導載荷計算。
Forte CFD
自從收購了專注于詳細化學反應模擬的專業公司—Reaction Desgin之后，ANSYS將其內燃機仿真產品Forte集成到Workbench內，使得ANSYS對內燃機的缸內仿真能力得到進一步的加強，并為發動機完整仿真流程提供了平臺基礎。Forte采用KIVA作為內核，并采用了先進的霧化、蒸發、燃燒計算模型，可在不顯著增加計算時間的前提下，對幾百種組分的燃燒現象進行準確模擬。從而可在較少調試的情況下對壓燃和敲缸現象進行精確模擬。其先進的煙氣生成機理，完全遵循實際煙氣生成機理，從而做到對污染物排放的準確預測。嵌入到workbentch里的Forte計算流程，繼承了原來的幾何處理、面網格劃分及與其他模塊無縫對接的優點，使得其仿真能力極大加強。
來源：易仿真
展開 Spring-ICE 結冰算法述評-（4）番外：簡單面元法
高強度活動了幾天的身體后，動極思靜，由來已久的搞三維結冰算法的想法再次冒頭。
每次決定搞一個大程序前，其實要思想斗爭很久，一個類似結冰這樣的程序，往往意味著長達一兩年的長期精力投入，意味著大量的業余時間的報銷，還意味著我得盡可能減少兼職工作。
決定干就在這兩天，兩個誘因。一個是有天一個師兄喝多了跟我說，咱們都慢一點，慢慢來。那幾天正是我心態急躁的時候，前段時間投入了大量業余時間在兼職工作上，主副業交叉，腦子里亂的不行。聽師兄這么一說，我仔細想了想，我又不打算買房被割韭菜，我急個啥，開發工程工具解決工程問題是自己的興趣，還是要堅定的干，只要餓不死，多干點自己喜歡的東西唄。第二個誘因是，晚上再次看了遍《星際穿越》，一邊品著里面各種裝備的結構設計，一邊用自己的專業知識揣測各種技術細節，更關鍵的是，結合自己的工作經歷，越發認識到，我們掌握的知識是實實在在有用的，盡管看著古典傳統，還帶著很多經驗性東西，沒有什么AI、區塊鏈聽著高端，但是AI、區塊鏈并沒有解決我們這個行業的根本性難題，從來沒有。不必羨慕那些概念，桿梁板殼，流場氣動，哪個不是精妙十足，博大精深。
結冰計算，流場先行。我們前面幾期也提到了這些，為了準備三維結冰算法，我第一步就是要做個三維流場計算工具。參考我之前做二維的經驗，這次還是選擇面元法。
本期就介紹下二維簡單面元法的實現，以及主題：讀書。
1 參考啥文獻？
我在第一次搞面元法的時候，翻閱了很多文獻和書籍。最直接的感受是，越是近年的資料越不說“人話”。通篇不是偏微分積分，就是張量：
好像通篇理論性很強，實際上約等于啥也沒說，這些公式也不是這些貨搞出來的，引用這些數學定義式，介紹下每個元素的含義，這叫個什么論文？歸根結底，這些東西是要編程實現的，這些貨給出的這些式子虛頭八腦的式子，離可用化的編程差著十萬八千里。
展開 航空行業CAE解決方案
相關仿真軟件模塊
前后處理：DM/SCDM（幾何建模/修復）、ICEMCFD（復雜網格建模）、ANSYS Meshing（智能網格建模）
結構仿真：Mechanical（結構動力學）、nCode（疲勞壽命）、ACP（復合材料前后處理）、LS-DYNA/STR（高速沖擊碰撞）
流體仿真：CFX（外流計算）、Fluent（通用流體）、FENSAP-ICE（結冰計算）、Chemkin（化學反應機理）
耦合場：ANSYS FSI（流固耦合）、ANSYS Multiphysics（多物理場）、System Coupling（系統耦合）
電磁仿真：HFSS（高頻電磁）、Maxwell（低頻電磁）、Simplorer（系統仿真）、RMxprt（電機設計）
優化仿真：DX（參數快速優化）、OptisLang（穩健型/可靠性優化）、GENESIS（結構拓撲優化）、Fluent RBF（氣動外形拓撲優化）
其它模塊：Steps（人群疏散）
高性能并行計算：ANSYS HPC
展開 飛機結冰的那些事（1）
特別是我國預警機的重要平臺—運八飛機，因為結冰事故極大阻礙了其發展進程。
運八飛機
飛機結冰問題之所以可怕，是因為結冰對飛機的氣動和操穩特性有著重要的影響，一旦結冰達到一定程度，造成機翼提供的升力不足，飛機就會掉落，若是再造成平尾提供的配平力矩不足，飛機將無法操控，造成不可挽回的災難。能被漫威編劇看重，并作為《鋼鐵俠1》的壓軸關鍵技術，結冰除了本身的可怕，更可怕的是結冰研究本身的難度。
結冰設計“四大難”
搞工程的都知道，理論、計算和試驗是解決問題的三大法寶。可是若是這三個法寶都不完善，那問題的難度可想而知。很不幸，結冰就是這樣的一個問題，不止如此，作為飛機設計領域的問題，結冰還多了一項—試飛難。
理論難
目前關于飛機結冰機理尚無準確清晰的認知，盡管有了一些假說，但是仍缺乏可靠的試驗支撐和理論體系。因此關于過冷水滴的特性、微觀層面冰的生長、冰與機體的粘附等等基礎理論仍存在諸多未解之謎，這也是阻礙結冰研究的關鍵之處。
計算難
下面這個圖是AC20-73A 中給出的八種不同結冰計算程序得到冰形與試驗結果的對比。稍微看下圖中的結果就能得出一個結論：不同程序得到的冰形可謂千奇百怪，差別甚大。計算想要跟試驗對的上，是很難的。由于對結冰機理的認知程度不深，當前尚無法建立可靠的結冰預測模型。
試驗難
既然計算預測難，那么做冰風洞試驗總可以了吧？抱歉，試驗的限制更大。
展開 
—Spring3D-Drop結冰程序研發記
1 Spring3D應該長啥樣
我在之前一篇文章中提到過，要啟動三維結冰程序的研發，這是20年6月份的事情。
結冰程序，有三個關鍵的技術：流場計算、水滴收集系數計算、冰形計算。而在三維結冰這個方面，一般能完成前兩個，就已經達到了相當高的程度，并具備了很強的實用性。
在研發之前，一個非常重要的問題就是要確定，這個軟件應該長啥樣？這個問題倒不是說界面炫不炫，而是整個軟件的設計理念是什么？也就是所謂的概念設計。
基于前面二維結冰程序開發的經驗，還有我自己的從業經歷，我給這個三維軟件一些要求如下：
（1）快。真男人就是要快。好軟件就是要快。快就意味著成本低，意味著效率高，意味著設計迭代短。快就是正義。部件級別的完成計算，用時2小時以內，整機級別的計算，控制在4-6小時。
（2）具備可用的精度。工程上能夠接受的精度，這個是軟件的底線。
（3）程序模塊化。大到流場計算模塊，小到一個判斷單元位置的算法，通通模塊化，設置為自定義函數，在主程序里面調用。這樣主程序簡潔、清晰，子程序可以隨時優化更新，不斷升級。
（4）設計輸入規范。根據軟件自身特點，確定輸入文件的格式，并具有普適性。就是說，只要按照這個格式和要求提供輸入，就能成功計算。
（5）軟件輸出可直接用于設計。比如像Fensap三維結冰軟件，計算完水滴撞擊后，如果你想在數模上畫出撞擊范圍，就需要自己后處理，取多個剖面的結果。Spring3D軟件則要根據設計研發需求，直接給出可用的結果，避免過多的人工后處理操作。
20年6月份啟動的研發，那時我仍在西北，搞飛機試飛，當月就采用三維面元法解決了流場計算問題。
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