水滴軌跡
關(guān)注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時(shí)間：2020-06-17
水滴軌跡的實(shí)例教程
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-（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)。
說其常規(guī)，是因?yàn)?em>水滴軌跡的計(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。說其非常規(guī)是因?yàn)椋M管目前文獻(xiàn)對這個(gè)計(jì)算過程描述的已經(jīng)足夠詳細(xì)，但是還有很多的技術(shù)細(xì)節(jié)，非實(shí)際操作而不可揣摩，正是這些具體的技術(shù)細(xì)節(jié)決定著計(jì)算的準(zhǔn)確性、效率，甚至是整個(gè)結(jié)冰算法的設(shè)計(jì)邏輯。
我這段時(shí)間感悟，任何工程的東西，越涉及到基礎(chǔ)的和實(shí)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(fù)材，我就要親自去做一做材料成型，研究試件加工，然后試驗(yàn)測試，最后是結(jié)果處理。反復(fù)的想，整個(gè)過程和我仿真或者理論，哪些是對應(yīng)的，哪些是不同的，這些不同會(huì)有什么影響，有些試驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)理是什么，能不能從理論層面找到依據(jù)。
如果我們現(xiàn)在的身份不是一個(gè)學(xué)生，不是面向自己的課題。而是一個(gè)工程師面對一個(gè)項(xiàng)目，整個(gè)項(xiàng)目不是一個(gè)人能夠完成的，那么作為組織者，是不是給別人分個(gè)工，等著大家的結(jié)果就完事了？我想不是，即便沒有精力面面俱到，那么至少應(yīng)該精通某一方面，然后瞄準(zhǔn)項(xiàng)目的目標(biāo)，搞清楚大家的工作和目標(biāo)的聯(lián)系，然后對重點(diǎn)問題深入研究，要搞懂要把控。總而言之，必須實(shí)踐，必須講求細(xì)節(jié)。
1 水滴軌跡計(jì)算到底要干啥？
從結(jié)冰計(jì)算整個(gè)層面來說，所謂結(jié)冰就是水滴撞在機(jī)翼表面然后凍結(jié)的現(xiàn)象。水滴軌跡的計(jì)算，就是要搞清楚水滴會(huì)撞擊到機(jī)翼表面的哪些區(qū)域，每個(gè)區(qū)域水滴撞擊的量（即水滴收集量）是多少，為下一步的結(jié)冰物理計(jì)算提供輸入。
從算法的層面，水滴軌跡計(jì)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(yùn)動(dòng)，滿足什么方程。
（2）求解方程，計(jì)算軌跡。
展開 NASA LEWICE通過20多條軌跡就能精確插值出水滴收集量，上述兩級插值還是要搞上百條軌跡才能做，差距依然巨大，更何況還把這個(gè)事情搞的這么復(fù)雜，正常來說即便用二分法也就百多條軌跡，速度不比這個(gè)兩級插值慢多少，精度還更高，所有我個(gè)人不推薦大家去研究這個(gè)兩級插值。
那么NASA到底用的什么方法呢？不知道啊。不知道不代表不能去揣摩，實(shí)際上Spring-ICE目前在這一塊搞了兩套算法，一套是二分法，一套是插值法。Spring-ICE的插值法就是要用實(shí)實(shí)在在的20到40軌跡，插值出水滴收集量。這個(gè)方法目前還在審稿中，不便透露，但是可以給點(diǎn)提示，這個(gè)插值方法一切的一切都是瞄準(zhǔn)水滴收集量計(jì)算式：找到壁面節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的水滴軌跡！
3 小結(jié)
這一期其實(shí)想說的是研究品味的事，其實(shí)咱們搞研究的時(shí)候，會(huì)有很多的方向，會(huì)有很多的選擇。有的方向看起來花團(tuán)錦簇，有的方法華麗炫酷，這個(gè)時(shí)候能不能忍住也上去搞一把的沖動(dòng)，忍住往石墨烯里面加鳥屎的想法，仔細(xì)想一想，工程上到底需要什么，自己怎么根據(jù)自己的知識體系簡潔的解決問題。
最后 歡迎關(guān)注我們的微信公眾號。
微信公眾號：320科技工作室。
展開 Spring-Ice結(jié)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(jì)算。
2018年6月流場的計(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。
2019年8月份完成與冰風(fēng)洞試驗(yàn)的對比以及界面制作。
2. 原理
Spring-Ice結(jié)冰程序主要模塊與原理如下：
1） 流場計(jì)算。流場計(jì)算采用面元法，提高了流場計(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)測水滴收集系數(shù)。目前針對二分法計(jì)算效率低的問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了特征線插值法，準(zhǔn)備用于下一版本的軟件升級。
3） 結(jié)冰模型。基于經(jīng)典Messinger結(jié)冰模型預(yù)測結(jié)冰量。
程序界面如下圖所示：
圖1 Spring-Ice界面
實(shí)際的程序除上述三大塊原理部分還有必要的數(shù)據(jù)前后處理：
1） 前處理模塊主要針對輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多（高于150個(gè)點(diǎn)）數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理以提高計(jì)算效率，同時(shí)對輸入數(shù)據(jù)中的重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。
2） 后處理模塊主要對產(chǎn)生冰形進(jìn)行光順處理。
3） 數(shù)據(jù)輸出，根據(jù)輸入工況名稱輸出冰形數(shù)據(jù)。
3. 特點(diǎn)
和現(xiàn)有結(jié)冰程序相比，Spring-Ice結(jié)冰程序的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：
1） 計(jì)算模塊和方法盡可能與Lewice保持一致。
2） 經(jīng)過冰風(fēng)洞試驗(yàn)的校準(zhǔn)，該程序已內(nèi)置合適的時(shí)間步，因此不需要設(shè)置時(shí)間步長等參數(shù)，只需輸入工況參數(shù)即可給出合適的結(jié)果。
3） 單個(gè)冰形的計(jì)算時(shí)間在五分鐘以內(nèi)，計(jì)算效率較高。
4） 程序具有對大弦長翼型（超過1m）的準(zhǔn)確結(jié)冰模擬能力，優(yōu)于Lewice。
展開 3 我想逆轉(zhuǎn)時(shí)間
撞擊判斷搞定以后，那么每個(gè)水滴在流場中的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以做出來。即便事先有心理準(zhǔn)備，但是程序的計(jì)算效率之低仍然出乎我的意料。只算一個(gè)剖面數(shù)十根水滴，就畫了兩三個(gè)小時(shí)。這要是整個(gè)部件，再考慮到為了計(jì)算每個(gè)的單元收集系數(shù)，需要迭代的數(shù)十根水滴，整個(gè)部件的收集系數(shù)沒一個(gè)星期時(shí)間是算不出來的。
前面的文章中我們提到過，求解每個(gè)單元收集系數(shù)的關(guān)鍵，是確定單元邊界位置對應(yīng)的水滴初始發(fā)射位置。通常來說，水滴迎面過來，撞在機(jī)翼上。是不是恰好打在單元的邊界，是不確定的，因此需要不停的迭代修正，這個(gè)過程需要計(jì)算很多水滴。如果我能根據(jù)邊界位置，反推出水滴初始發(fā)射位置，是不是可以不用迭代，一步到位呢？
我當(dāng)時(shí)的設(shè)想是，我從翼面單元邊界發(fā)射水滴，逆著時(shí)間線，反推之。就像相控陣?yán)走_(dá)那樣，每個(gè)單元發(fā)射信號，接受回波，修正下就可以了。
想的很美，但是現(xiàn)實(shí)太丑！逆時(shí)間出來的線，和順時(shí)間出來的線，完全對應(yīng)不上。
時(shí)間進(jìn)入9月份，剛好諾蘭的大作《信條》上映。電影展示了正向、逆向時(shí)間下，各種反常而有趣的操作。
我一下子又被點(diǎn)燃了激情。勞資也要逆轉(zhuǎn)時(shí)間！
在正時(shí)間下，水滴軌跡的求解思路是：
（1）已知初始時(shí)間點(diǎn)，水滴的位置、速度。
（2）根據(jù)控制方程得到水滴加速度，考慮時(shí)間推進(jìn)一定時(shí)間后，移動(dòng)到新的位置，并在氣動(dòng)力、流場速度的共同影響下，更新速度；
（3）重復(fù)上述操作，不斷推進(jìn)時(shí)間，得到水滴運(yùn)動(dòng)完整軌跡。
逆時(shí)間最大的問題是，我知曉水滴的在時(shí)間T的位置，但并不知曉它的速度，也不知曉它從上個(gè)時(shí)間點(diǎn)過來的加速度。那我只能假設(shè)一個(gè)T時(shí)間速度。用假設(shè)的T時(shí)間速度，和T時(shí)間的加速度，反向推進(jìn)時(shí)間，更新軌跡。初始速度不準(zhǔn)確，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)用的加速度也不準(zhǔn)確，最后的軌跡必然不準(zhǔn)。
我不死心的嘗試在正向、逆向時(shí)間之間，建立修正關(guān)系。
展開 系列文章詳見：
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-（2）水滴軌跡計(jì)算
Spring-ICE 結(jié)冰算法述評-（3）水滴收集量計(jì)算
Spring-ICE 結(jié)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(xiàn)代文章。小時(shí)候其實(shí)學(xué)了不少好文章，只是當(dāng)時(shí)難見它們的好處所在。但用現(xiàn)在的眼光再看，可謂別有風(fēng)味。
比如蘇軾的文章，他評論賈誼和張良的兩篇策論，放在現(xiàn)在看就是標(biāo)準(zhǔn)的議論文模板。開篇點(diǎn)題，再正論反論的小論點(diǎn)輔之以舉例舉史，最后定調(diào)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(gè)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(gè)技術(shù)報(bào)告都顫顫巍巍。帶著好奇心就看看這個(gè)治國安天下的報(bào)告是怎么個(gè)寫法。看完以后不禁感嘆，這分明是一份調(diào)研分析報(bào)告啊。
文章細(xì)數(shù)了當(dāng)時(shí)大漢的內(nèi)外危機(jī)，特別是如何處理諸侯國尾大不掉的問題，這個(gè)時(shí)候還沒到漢武帝時(shí)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(gè)結(jié)論，啥結(jié)論呢？越小的封國越不會(huì)造反。順著這個(gè)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(gè)思想不就是后來的“推恩令”嘛。作者的總結(jié)洞察能力真是太厲害了
想想后世的偉人寫的很多調(diào)研報(bào)告，核心都是調(diào)研，分析，總結(jié)共性和異性，得出結(jié)論。這種天才般的洞察力和研究方法，很值得學(xué)習(xí)。
《治安策》的精彩之處遠(yuǎn)不止此，要知道這個(gè)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 
水滴軌跡的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
水滴軌跡的最新內(nèi)容
在正時(shí)間下，水滴軌跡的求解思路是：
（1）已知初始時(shí)間點(diǎn)，水滴的位置、速度。
（2）根據(jù)控制方程得到水滴加速度，考慮時(shí)間推進(jìn)一定時(shí)間后，移動(dòng)到新的位置，并在氣動(dòng)力、流場速度的共同影響下，更新速度；
（3）重復(fù)上述操作，不斷推進(jìn)時(shí)間，得到水滴運(yùn)動(dòng)完整軌跡。
逆時(shí)間最大的問題是，我知曉水滴的在時(shí)間T的位置，但并不知曉它的速度，也不知曉它從上個(gè)時(shí)間點(diǎn)過來的加速度。
系列文章詳見：
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-（2）水滴軌跡計(jì)算
Spring-ICE 結(jié)冰算法述評-（3）水滴收集量計(jì)算
Spring-ICE 結(jié)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(xiàn)代文章。
上回說到，水滴運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算。這一期就講，利用水滴軌跡的計(jì)算，得到翼面各區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)撞擊水量的計(jì)算，為下一步開展結(jié)冰熱力學(xué)算結(jié)冰量提供輸入。
最近這段時(shí)間一直在現(xiàn)場干體力活，這是我畢業(yè)兩年后再次長期干試驗(yàn)。干的時(shí)候，腦子里經(jīng)常閃現(xiàn)以前讀研天天泡在實(shí)驗(yàn)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(jì)算。
1 水滴軌跡計(jì)算到底要干啥？
從結(jié)冰計(jì)算整個(gè)層面來說，所謂結(jié)冰就是水滴撞在機(jī)翼表面然后凍結(jié)的現(xiàn)象。水滴軌跡的計(jì)算，就是要搞清楚水滴會(huì)撞擊到機(jī)翼表面的哪些區(qū)域，每個(gè)區(qū)域水滴撞擊的量（即水滴收集量）是多少，為下一步的結(jié)冰物理計(jì)算提供輸入。
從算法的層面，水滴軌跡計(jì)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(yùn)動(dòng)，滿足什么方程。
（2）求解方程，計(jì)算軌跡。
流場計(jì)算采用面元法，提高了流場計(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)測水滴收集系數(shù)。目前針對二分法計(jì)算效率低的問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了特征線插值法，準(zhǔn)備用于下一版本的軟件升級。
3） 結(jié)冰模型。基于經(jīng)典Messinger結(jié)冰模型預(yù)測結(jié)冰量。
