飛機(jī)結(jié)冰
關(guān)注創(chuàng)建者：laplacianFoam 創(chuàng)建時(shí)間：2019-09-16
飛機(jī)結(jié)冰的視頻教程
FENSAP-ICE高級(jí)應(yīng)用：飛機(jī)熱氣防冰仿真與工程實(shí)踐全流程大師班
航空防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)工程師 FENSAP-ICE的核心應(yīng)用場(chǎng)景是飛機(jī)結(jié)冰仿真與防冰系統(tǒng)驗(yàn)證。課程涉及流場(chǎng)氣動(dòng)計(jì)算、水滴撞擊分析、結(jié)冰過(guò)程模擬以及防冰熱傳導(dǎo)載荷計(jì)算，可為從事飛機(jī)防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師提供直接的工程仿真支持。 2.
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FENSAP-ICE進(jìn)階課程
FENSAP-ICE飛行結(jié)冰計(jì)算軟件是加拿大NTI公司研發(fā)的，專(zhuān)門(mén)計(jì)算飛機(jī)飛行時(shí)的結(jié)冰狀況，從而驗(yàn)證飛機(jī)結(jié) 冰時(shí)的飛行安全性，為完善飛機(jī)的防冰系統(tǒng)提供技術(shù)依據(jù)。該系統(tǒng)適用于各種飛機(jī)、旋翼機(jī)、噴氣機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)吊 艙、探頭、探測(cè)器等。 本課程旨在幫助學(xué)員全面掌握結(jié)冰仿真技能，充分把握f(shuō)luent與FENSAP-ICE聯(lián)合仿真技術(shù)要點(diǎn)，自主劃分FENSAP-ICE所需網(wǎng)格。
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飛機(jī)結(jié)冰的實(shí)例教程
特別是我國(guó)預(yù)警機(jī)的重要平臺(tái)—運(yùn)八飛機(jī)，因?yàn)?em>結(jié)冰事故極大阻礙了其發(fā)展進(jìn)程。
運(yùn)八飛機(jī)
飛機(jī)結(jié)冰問(wèn)題之所以可怕，是因?yàn)?em>結(jié)冰對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)和操穩(wěn)特性有著重要的影響，一旦結(jié)冰達(dá)到一定程度，造成機(jī)翼提供的升力不足，飛機(jī)就會(huì)掉落，若是再造成平尾提供的配平力矩不足，飛機(jī)將無(wú)法操控，造成不可挽回的災(zāi)難。能被漫威編劇看重，并作為《鋼鐵俠1》的壓軸關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)冰除了本身的可怕，更可怕的是結(jié)冰研究本身的難度。
結(jié)冰設(shè)計(jì)“四大難”
搞工程的都知道，理論、計(jì)算和試驗(yàn)是解決問(wèn)題的三大法寶。可是若是這三個(gè)法寶都不完善，那問(wèn)題的難度可想而知。很不幸，結(jié)冰就是這樣的一個(gè)問(wèn)題，不止如此，作為飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的問(wèn)題，結(jié)冰還多了一項(xiàng)—試飛難。
理論難
目前關(guān)于飛機(jī)結(jié)冰機(jī)理尚無(wú)準(zhǔn)確清晰的認(rèn)知，盡管有了一些假說(shuō)，但是仍缺乏可靠的試驗(yàn)支撐和理論體系。因此關(guān)于過(guò)冷水滴的特性、微觀(guān)層面冰的生長(zhǎng)、冰與機(jī)體的粘附等等基礎(chǔ)理論仍存在諸多未解之謎，這也是阻礙結(jié)冰研究的關(guān)鍵之處。
計(jì)算難
下面這個(gè)圖是AC20-73A 中給出的八種不同結(jié)冰計(jì)算程序得到冰形與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。稍微看下圖中的結(jié)果就能得出一個(gè)結(jié)論：不同程序得到的冰形可謂千奇百怪，差別甚大。計(jì)算想要跟試驗(yàn)對(duì)的上，是很難的。由于對(duì)結(jié)冰機(jī)理的認(rèn)知程度不深，當(dāng)前尚無(wú)法建立可靠的結(jié)冰預(yù)測(cè)模型。
試驗(yàn)難
既然計(jì)算預(yù)測(cè)難，那么做冰風(fēng)洞試驗(yàn)總可以了吧？抱歉，試驗(yàn)的限制更大。
展開(kāi) 摘要：由于大多數(shù)訓(xùn)練飛機(jī)都是使用的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行高度偏低，在冬季運(yùn)行過(guò)程中，結(jié)冰的可能性大大增加。所以，了解產(chǎn)生積冰的氣象條件、積冰對(duì)飛行的影響，以及在飛行中如何防止或減輕積冰，仍然是十分重要的。
（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）
關(guān)鍵詞：冬季 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī) 積冰
NTSB分析：1999-2001年，在所有天氣原因引發(fā)的事故中，7.5%的事故原因是結(jié)冰。進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰是活塞飛機(jī)最主要的事故源，占飛機(jī)結(jié)冰事故的52%，其中有27%引發(fā)災(zāi)難性后果。對(duì)于從事訓(xùn)練飛行的我們來(lái)說(shuō)，所使用的飛機(jī)都是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，為了保證飛行安全，因此掌握飛機(jī)結(jié)冰的相關(guān)知識(shí)具有重要的意義。
一、飛機(jī)積冰簡(jiǎn)介
1、積冰。積冰是最復(fù)雜的飛行氣象之一，在云、霧、雨或濕雪中飛行時(shí)，飛機(jī)的迎風(fēng)部位、動(dòng)力裝置和特種設(shè)備外露部分，由于水滴凍結(jié)或水氣凝結(jié)而聚積的冰層，這一現(xiàn)象就是飛機(jī)積冰。當(dāng)飛機(jī)在云中飛行，機(jī)體碰到過(guò)冷水滴時(shí)，如果機(jī)體表面的溫度低于0℃時(shí)，過(guò)冷水滴就會(huì)在機(jī)體表面的某些部分凍結(jié)而聚集起來(lái)形成結(jié)冰。此外，飛機(jī)由寒冷的高層進(jìn)入暖濕的低層，也會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰，它是由于暖濕氣層中的水氣在較冷的機(jī)體上發(fā)生凝結(jié)而形成的，過(guò)冷水滴是非常不穩(wěn)定的，當(dāng)它受到?jīng)_擊時(shí)，即會(huì)變成固體的冰，在低于0℃的云雨中飛行時(shí)均可產(chǎn)生飛機(jī)結(jié)冰。
2、飛機(jī)積冰的種類(lèi)。根據(jù)飛機(jī)表面所結(jié)的冰的結(jié)構(gòu)、形狀以及對(duì)飛行影響程度不同，可以分為：明冰、毛冰、霧凇、霜。
3、積冰的危害。飛機(jī)任何部位積冰都會(huì)使飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能變壞，使飛機(jī)升力減小，阻力增大，從而影響飛機(jī)的操縱性與穩(wěn)定性。
展開(kāi) 我國(guó)自主研制的新支線(xiàn)飛機(jī)ARJ21-700型號(hào)在進(jìn)行自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)時(shí)，在國(guó)內(nèi)新疆地區(qū)歷經(jīng)四年艱苦的“追云”歷程，最終不得不輾轉(zhuǎn)3萬(wàn)公里在加拿大五大湖地區(qū)順利尋得了這種天氣條件并完成了自然結(jié)冰飛行試驗(yàn)。那么，到底需要怎樣的自然結(jié)冰天氣條件竟使得ARJ21-700試飛團(tuán)隊(duì)找尋的如此艱苦？本期將和大家探討一下飛機(jī)自然結(jié)冰天氣條件。
結(jié)冰天氣條件主要由結(jié)冰云層范圍、液態(tài)水含量（LWC）、過(guò)冷水滴平均有效直徑（MVD）和空氣溫度（T）等參數(shù)確定。CCAR/FAR/CS-25部規(guī)章附錄C給出了飛機(jī)申請(qǐng)結(jié)冰天氣條件下運(yùn)行時(shí)所必須能夠安全飛行的自然結(jié)冰天氣條件，包括連續(xù)最大結(jié)冰、間斷最大結(jié)冰和最大起飛結(jié)冰三種極端自然結(jié)冰天氣條件。這些飛機(jī)自然結(jié)冰天氣條件是美國(guó)FAA等機(jī)構(gòu)在對(duì)北美乃至全球各地區(qū)結(jié)冰云層經(jīng)過(guò)多年的潛心測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上得出的，是開(kāi)展飛機(jī)防/除冰設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證的重要依據(jù)。
1. 連續(xù)最大結(jié)冰
滿(mǎn)足連續(xù)最大強(qiáng)度結(jié)冰天氣條件的云層的液態(tài)水含量（LWC）、過(guò)冷水滴平均有效直徑（MVD）和空氣溫度（T）三個(gè)變量的相互關(guān)系見(jiàn)圖1所示。在進(jìn)行連續(xù)最大結(jié)冰試飛驗(yàn)證時(shí)，結(jié)冰云層必須滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：
（1）LWC在0~0.8g/m3范圍內(nèi)；
（2）MVD在15~40μm范圍內(nèi)；
（3）云層水平范圍達(dá)到17.4海里（32.3km）。
圖2給出了連續(xù)最大結(jié)冰天氣條件的高度-溫度包線(xiàn)范圍，由圖可知這種結(jié)冰天氣的云層只可能在海拔高度7km以下以及飛行高度處大氣溫度-30℃~0℃范圍內(nèi)出現(xiàn)，這對(duì)于尋找這種結(jié)冰條件有一定指導(dǎo)作用。
2. 間斷最大結(jié)冰
大氣結(jié)冰狀態(tài)的最大間斷強(qiáng)度（間斷最大結(jié)冰） 的液態(tài)水含量（LWC）、過(guò)冷水滴平均有效直徑（MVD）和空氣溫度（T）三個(gè)變量的相互關(guān)系見(jiàn)圖3所示。
展開(kāi) 在之前的有一期說(shuō)到，由于飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰計(jì)算的復(fù)雜性，工作室聯(lián)合航空院校及研究所，共同研發(fā)了基于Matlab的結(jié)冰計(jì)算軟件，本期就著重對(duì)該款軟件進(jìn)行詳細(xì)介紹。不清楚之前機(jī)翼結(jié)冰相關(guān)背景知識(shí)的小伙伴可以看這個(gè)鏈接回顧一下：
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/536720
1。軟件背景介紹
這款結(jié)冰程序命名為Spring-Ice，結(jié)冰程序基于目前公開(kāi)發(fā)表的結(jié)冰預(yù)測(cè)理論編寫(xiě)而成，同時(shí)參考冰風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)程序進(jìn)行了修正。該程序旨在提供一種臨界性與準(zhǔn)確性兼顧的冰形計(jì)算工具（冰形計(jì)算器），以期應(yīng)用于民機(jī)適航取證工作，作為L(zhǎng)ewice、Fensap軟件的補(bǔ)充和驗(yàn)證工具。
Spring-Ice結(jié)冰程序從2017年12月開(kāi)始正式的編寫(xiě)工作，至2018年3月完成水滴軌跡計(jì)算。
2018年6月流場(chǎng)的計(jì)算由有限元法變更為面元法。
2019年7月完成結(jié)冰模型程序的編寫(xiě)。
2019年8月份完成與冰風(fēng)洞試驗(yàn)的對(duì)比以及界面制作。
2. 原理
Spring-Ice結(jié)冰程序主要模塊與原理如下：
1） 流場(chǎng)計(jì)算。流場(chǎng)計(jì)算采用面元法，提高了流場(chǎng)計(jì)算效率以及后續(xù)水滴軌跡的計(jì)算效率；
2） 水滴軌跡計(jì)算。采用拉格朗日法，并基于二分法預(yù)測(cè)水滴收集系數(shù)。目前針對(duì)二分法計(jì)算效率低的問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了特征線(xiàn)插值法，準(zhǔn)備用于下一版本的軟件升級(jí)。
3） 結(jié)冰模型。基于經(jīng)典Messinger結(jié)冰模型預(yù)測(cè)結(jié)冰量。
展開(kāi) FENSAP-ICE
FENSAP-ICE飛行結(jié)冰計(jì)算軟件是加拿大NTI公司研發(fā)的，專(zhuān)門(mén)計(jì)算飛機(jī)飛行時(shí)的結(jié)冰狀況，從而驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)冰時(shí)的飛行安全性，為完善飛機(jī)的防冰系統(tǒng)提供技術(shù)依據(jù)。該系統(tǒng)適用于各種飛機(jī)、旋翼機(jī)、噴氣機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙、探頭、探測(cè)器等。FENSAP-ICE涉及了飛機(jī)結(jié)冰中主要的五個(gè)方面：流場(chǎng)氣動(dòng)計(jì)算、水滴撞擊計(jì)算、結(jié)冰計(jì)算、氣動(dòng)力衰減及防、除冰熱傳導(dǎo)載荷計(jì)算。
Forte CFD
自從收購(gòu)了專(zhuān)注于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)模擬的專(zhuān)業(yè)公司—Reaction Desgin之后，ANSYS將其內(nèi)燃機(jī)仿真產(chǎn)品Forte集成到Workbench內(nèi)，使得ANSYS對(duì)內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)仿真能力得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，并為發(fā)動(dòng)機(jī)完整仿真流程提供了平臺(tái)基礎(chǔ)。Forte采用KIVA作為內(nèi)核，并采用了先進(jìn)的霧化、蒸發(fā)、燃燒計(jì)算模型，可在不顯著增加計(jì)算時(shí)間的前提下，對(duì)幾百種組分的燃燒現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。從而可在較少調(diào)試的情況下對(duì)壓燃和敲缸現(xiàn)象進(jìn)行精確模擬。其先進(jìn)的煙氣生成機(jī)理，完全遵循實(shí)際煙氣生成機(jī)理，從而做到對(duì)污染物排放的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。嵌入到workbentch里的Forte計(jì)算流程，繼承了原來(lái)的幾何處理、面網(wǎng)格劃分及與其他模塊無(wú)縫對(duì)接的優(yōu)點(diǎn)，使得其仿真能力極大加強(qiáng)。
文章來(lái)自網(wǎng)絡(luò)：
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飛機(jī)結(jié)冰的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
飛機(jī)結(jié)冰的最新內(nèi)容
流體有限元求解器開(kāi)發(fā)-二維斯托克斯方程2個(gè)月前
關(guān)鍵詞：CFD，有限元，三角形單元，罰函數(shù)，粘性流動(dòng)
最近工作室有流體有限元求解器的開(kāi)發(fā)需求，我在前面講飛機(jī)結(jié)冰的文章提到過(guò)，差不多10年前瞎搗鼓過(guò)這個(gè)東西。
好多東西都記不清了，先從一些簡(jiǎn)單的流動(dòng)模型入手，做一些恢復(fù)性訓(xùn)練。考慮到我是結(jié)構(gòu)力學(xué)出身，在進(jìn)行流體有限元開(kāi)發(fā)的時(shí)候，我會(huì)代入結(jié)構(gòu)有限元的視角進(jìn)行分析。
數(shù)字樣機(jī)和高精度數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀閉環(huán)仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]研究非平面機(jī)翼的氣動(dòng)性能；文獻(xiàn)[7]研究寬體飛機(jī)客艙環(huán)境控制系統(tǒng)的通風(fēng)情況；文獻(xiàn)[8]研究飛機(jī)在大迎角條件下的氣動(dòng)特性；文獻(xiàn)[9]研究飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)耦合技術(shù)；文獻(xiàn)[10]研究飛機(jī)空氣動(dòng)力和穩(wěn)定特性；文獻(xiàn)[11]研究運(yùn)輸機(jī)尾部降阻增升方案的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)；文獻(xiàn)[12]考慮進(jìn)氣道幾何特征，研究高速飛機(jī)的進(jìn)氣道特性；文獻(xiàn)[13]使用降階模型，數(shù)值模擬飛機(jī)的結(jié)冰特性
SAE在飛機(jī)結(jié)冰研究領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)
為了獲取飛機(jī)結(jié)冰前后的氣動(dòng)特性，需要進(jìn)行全機(jī)氣動(dòng)力的計(jì)算。在計(jì)算前需要進(jìn)行全機(jī)計(jì)算網(wǎng)格生成。全機(jī)計(jì)算網(wǎng)格生成一般分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成。
比如，飛機(jī)上的結(jié)冰容易引發(fā)嚴(yán)重飛行事故；電纜的嚴(yán)重結(jié)冰將會(huì)引起坍塌而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障。而防覆冰技術(shù)恰好為解決這一難題的提供了強(qiáng)有力的支持。傳統(tǒng)的防覆冰方法大多基于除冰、融冰思路，以熱力除冰、機(jī)械除冰等主動(dòng)除冰方式為主，這種除冰方式產(chǎn)生大量能耗且容易對(duì)環(huán)境造成不利影響。
該解決方案可支持公認(rèn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰認(rèn)證要求（標(biāo)準(zhǔn)液滴、大尺寸過(guò)冷液滴和高空冰晶）。
了解氣蝕開(kāi)始發(fā)生所對(duì)應(yīng)的泵機(jī)工作范圍至關(guān)重要。CFX和Fluent中的高精度氣蝕模型（例如Rayleigh-Plesset）與高級(jí)多相流和湍流模型相結(jié)合，有助于渦輪機(jī)械制造商準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泵機(jī)的極限工況，超過(guò)該極限就會(huì)發(fā)生氣蝕并變得嚴(yán)重。
該解決方案可支持公認(rèn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰認(rèn)證要求（標(biāo)準(zhǔn)液滴、大尺寸過(guò)冷液滴和高空冰晶）。
了解氣蝕開(kāi)始發(fā)生所對(duì)應(yīng)的泵機(jī)工作范圍至關(guān)重要。CFX和Fluent中的高精度氣蝕模型（例如Rayleigh-Plesset）與高級(jí)多相流和湍流模型相結(jié)合，有助于渦輪機(jī)械制造商準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泵機(jī)的極限工況，超過(guò)該極限就會(huì)發(fā)生氣蝕并變得嚴(yán)重。
該解決方案可支持公認(rèn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰認(rèn)證要求（標(biāo)準(zhǔn)液滴、大尺寸過(guò)冷液滴和高空冰晶）。
了解氣蝕開(kāi)始發(fā)生所對(duì)應(yīng)的泵機(jī)工作范圍至關(guān)重要。CFX和Fluent中的高精度氣蝕模型（例如Rayleigh-Plesset）與高級(jí)多相流和湍流模型相結(jié)合，有助于渦輪機(jī)械制造商準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泵機(jī)的極限工況，超過(guò)該極限就會(huì)發(fā)生氣蝕并變得嚴(yán)重。
系列文章詳見(jiàn)：
飛機(jī)結(jié)冰的那些事（1）
飛機(jī)結(jié)冰的那些事（2） Spring-Ice結(jié)冰軟件介紹
Spring-ICE 結(jié)冰算法述評(píng)-（2）水滴軌跡計(jì)算
Spring-ICE 結(jié)冰算法述評(píng)-（3）水滴收集量計(jì)算
Spring-ICE 結(jié)冰算法述評(píng)-（4）番外：簡(jiǎn)單面元法
最近看書(shū)不少，寫(xiě)字很多。
心血來(lái)潮的看了一些古文，看了一些近現(xiàn)代文章。
Spring-ICE系列前述兩篇文章：
1、飛機(jī)結(jié)冰的那些事
2、Spring-ICE 結(jié)冰算法述評(píng)-（1）水滴軌跡計(jì)算
今天要聊的內(nèi)容，既常規(guī)又不常規(guī)。
說(shuō)其常規(guī)，是因?yàn)樗诬壽E的計(jì)算是所有結(jié)冰計(jì)算的基礎(chǔ)算法，不可或缺，是必備技能。
