冰形計算
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2019-12-01
冰形計算的實例教程
程序界面如下圖所示：
圖1 Spring-Ice界面
實際的程序除上述三大塊原理部分還有必要的數據前后處理：
1） 前處理模塊主要針對輸入節點數目過多（高于150個點）數據進行簡化處理以提高計算效率，同時對輸入數據中的重復數據進行刪除。
2） 后處理模塊主要對產生冰形進行光順處理。
3） 數據輸出，根據輸入工況名稱輸出冰形數據。
3. 特點
和現有結冰程序相比，Spring-Ice結冰程序的特點包括以下幾個方面：
1） 計算模塊和方法盡可能與Lewice保持一致。
2） 經過冰風洞試驗的校準，該程序已內置合適的時間步，因此不需要設置時間步長等參數，只需輸入工況參數即可給出合適的結果。
3） 單個冰形的計算時間在五分鐘以內，計算效率較高。
4） 程序具有對大弦長翼型（超過1m）的準確結冰模擬能力，優于Lewice。
5） 程序具備下冰角的模擬能力。
4. 計算效果
對NACA0012、GLC-305、LTHS、NLF0414等翼型典型冰形進行計算，并與冰風洞試驗結果進行對比。相應計算結果如圖1-6所示。
展開 0度攻角結果
5度攻角結果
系統
到目前為止，在流體方向我們已經開發了：
（1） 翼型造型算法和軟件：《葉片/翼型參數化造型技術》
（2） 網格生成算法：
（3）結冰算法和軟件：
（4）不可壓流動求解器
可以說，上述算法模塊已經形成了一個小型的“生態系統”，如果我們再加上翼面升力和阻力計算，基本就可以實現：幾何造形設計、網格生成、CFD計算、冰形計算、性能評估的完整流程。
如果再摻一點優化算法，可以實現更多的功能，這大概就是自研系列化軟件的好處。
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。進入7月后，一邊寫參研課題的3萬字報告，一邊改給科普雜志的1.5萬字稿子，一邊搞一型飛機的改裝與試飛，一邊寫另一型飛機的重要報告，最后一邊，搞三維的水滴收集系數算法（Spring3D-Drop）。
生生忙成了五邊人。
8月初，試飛工作告一段落，告別了西北的美食和酒，我返回上海。
展開 目前全球在役主流現代大型客機（安裝渦扇發動機）的機翼都安裝有機翼防/除冰系統（IPS）。那么飛機設計人員是如何確定機翼的哪個地方需要安裝IPS的呢？
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。
展開 計算難—軟件開發
針對計算難的問題，320科技工作室聯合航空院校及研究所，開發了一套基于Matlab的結冰軟件，該軟件經過NASA冰形數據庫的校準，能夠很好的預測不同翼型的冰形。一些計算結果如下圖所示，下一期文章會對軟件進行詳細的介紹。
GLC305翼型結冰結果對比
NACA0012翼型結冰結果對比
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到目前為止，在流體方向我們已經開發了：
（1） 翼型造型算法和軟件：《葉片/翼型參數化造型技術》
（2） 網格生成算法：
（3）結冰算法和軟件：
（4）不可壓流動求解器
可以說，上述算法模塊已經形成了一個小型的“生態系統”，如果我們再加上翼面升力和阻力計算，基本就可以實現：幾何造形設計、網格生成、CFD計算、冰形計算
冰形的計算（二維）
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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。
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。
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。
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。
