水滴收集
關注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時間：2020-06-21
水滴收集的實例教程
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(qū)域一定時間內(nèi)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(xiàn)場干體力活，這是我畢業(yè)兩年后再次長期干試驗。干的時候，腦子里經(jīng)常閃現(xiàn)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(yè)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(wǎng)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(tài)，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(fā)射面，一齊向翼面上發(fā)射水滴，每個壁面單元（AB）必然在發(fā)射面上某兩個水滴發(fā)射位置覆蓋的范圍里（yi ~ yi+1），在這個范圍內(nèi)的所有水滴都只能打到AB內(nèi)，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(tài)水含量還有時間，這里做簡化說明）。
為了便于統(tǒng)一比較，目前大家普遍引入水滴收集系數(shù)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 （1）縮短單根水滴的計算時間；
（2）提高水滴的使用率，避免射出百箭僅中一靶的情況。
（3）搞出三維水滴收集系數(shù)插值法，用僅可能少的水滴，插值出收集系數(shù)。
縮短單根水滴的計算時間
經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)。當前水滴程序里面，最耗時的仍舊是判斷是否撞擊到翼面的子模塊。程序模塊化的優(yōu)勢這個時候體現(xiàn)了出來，它還能精準的幫助我們優(yōu)化程序。
這個時候我剛好去西北出我的最后一次差。再次回到奮戰(zhàn)數(shù)個月的地方，特別感概，覺今是而昨非。
在西北的那幾天，我前后探索了兩種思路都取決了不錯的效果。一種是開發(fā)一個專門的精確識別是否需要啟動撞擊判斷程序的算法，減少撞擊判斷。另一種是，開發(fā)一個精確識別哪些單元需要被判斷的算法，減少撞擊判斷中的循環(huán)單元數(shù)量。
這兩個方法用上以后，效果是立竿見影的。原先數(shù)個小時的工作，現(xiàn)在只要四到五分鐘就能算完。
提高水滴的使用率
提高水滴的使用率的目的，前面也提了，就是要做神手。爭取一個水滴消滅一個單元，而不是像下圖這樣。我在原先程序基礎上也做了兩個方案，一個是水滴非均勻發(fā)射，一個是保持總數(shù)不變，嵌套迭代。也都取得了很好的效果。
基本上，通過有限個水滴，就能把撞擊范圍精確定位出來。
三維水滴收集系數(shù)插值法
這個是我最得意的一招，無論是原創(chuàng)性還是精妙程度，都值得吹噓很久。之前搞二維的時候，我就搞過一個插值。而三維的插值，對于物理現(xiàn)象的把握、思路和程序設計水平提出了難度高出幾個量級的要求。
限于核心技術不外泄的原則，這里只講下插值方法需要解決的難點：
（1）每個單元邊界對應的水滴發(fā)射位置的插值定位技術；
（2）有限個水滴，如何精確定位撞擊邊界線；
（3）從剖面到展向，二維、三維尺度上結果的精確性保證。
展開 要回答這個問題，首先我們要搞清楚水滴的計算是兩相流的問題，水滴自身的慣性使得它不會完全按照流線運動，也就是說，水滴的運動對流場是敏感的，但是不是我們想象中那么敏感，這就給我們的流場計算留出了裕度。另外一個方面，冰形的冰角位置和水滴收集量大的地方不是絕對的對應，因為水滴在翼面上會流動，這個流動對冰角位置的影響是很大的，而這個流動由結冰熱力學方程確定的。也就說，即便前面流場的計算存在一定的誤差，導致水滴的運動出現(xiàn)一定的偏差，但是最后的結冰熱力學計算，可以把冰角的位置修正過來。
這個對我很有啟發(fā)，作為一個涉及多個學科的平臺開發(fā)，在能不能算的準的問題上，一定要首先考慮好，最后的結果有沒有兜底的修正項，找到這個兜底的，前面遇到一些影響效率的東西或者很復雜的東西，可以適當舍棄。
3 水滴狀態(tài)的判斷
水滴狀態(tài)無外乎三種：
（1）處于運動區(qū)；
（2）沖出設定區(qū)域；
（3）撞到翼面。
前兩種狀態(tài)容易判斷，關鍵是如何判斷水滴撞到的翼面。這個說起來也很容易，用到的是初中的代數(shù)知識。只要連接水滴當前位置和上一個時間的位置，和翼面各段逐個求交，有交點的就是撞到了。如果撞到了，還要給出來撞到的位置。
4 算法設計
程序的設計結構如下：
（1）初始條件定義。水滴的初始位置，不能太遠，不能太近。遠了，計算效率低；近了，算的不準。具體多少，看你經(jīng)驗了，多試幾次看看。
（2）當前水滴位置的流場速度計算；
（3）求解水滴運動方程，得到水滴在當前時間間隔內(nèi)運動的距離，然后更新水滴位置；
（4）判斷水滴狀態(tài)，如果沖出防線，或者撞到翼面，停止計算；
（5）如果處于運動狀態(tài)，重復步驟（2）-（4）。
需要注意的是，時間推進求解水滴軌跡，理論上時間間隔越小，肯定越準，但是呢這就意味著算的慢。
展開 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(xù)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(shù)。目前針對二分法計算效率低的問題，研發(fā)團隊已經(jīng)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(jīng)典Messinger結冰模型預測結冰量。
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(shù)據(jù)前后處理：
1） 前處理模塊主要針對輸入節(jié)點數(shù)目過多（高于150個點）數(shù)據(jù)進行簡化處理以提高計算效率，同時對輸入數(shù)據(jù)中的重復數(shù)據(jù)進行刪除。
2） 后處理模塊主要對產(chǎn)生冰形進行光順處理。
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
和現(xiàn)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(jīng)過冰風洞試驗的校準，該程序已內(nèi)置合適的時間步，因此不需要設置時間步長等參數(shù)，只需輸入工況參數(shù)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(nèi)，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(yōu)于Lewice。
展開 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(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(diào)研分析報告啊。
文章細數(shù)了當時大漢的內(nèi)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(diào)研報告，核心都是調(diào)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。
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水滴收集的最新內(nèi)容
那些水滴被收集并且去除。在下一步中，壓縮空氣的溫度再次升高。從這一階段開始，一旦相對濕度下降到100％以下，壓縮空氣中僅存在水蒸氣。
三、吸附干燥
在該方法中，通過具有吸收或吸附性的某種物質(zhì)來除去水分。通過吸收，水分被吸收在吸濕性液體或粉末中。水分附著在該材料上，需要除去并用新材料代替以進行進一步操作。通過吸附，水分被吸濕性珠粒捕獲。
超親水圖案分布對水滴脫附收集的影響探究
基于上述結果，受蕨類植物啟發(fā)，作者進一步優(yōu)化超親水圖案，制備的仿蕨圖案化表面可以自發(fā)將融合水滴向“根部”輸送（圖5），既保證了充足的超親水區(qū)域用于水汽捕獲，又有效降低了水收集屏障。
（3）搞出三維水滴收集系數(shù)插值法，用僅可能少的水滴，插值出收集系數(shù)。
縮短單根水滴的計算時間
經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)。當前水滴程序里面，最耗時的仍舊是判斷是否撞擊到翼面的子模塊。程序模塊化的優(yōu)勢這個時候體現(xiàn)了出來，它還能精準的幫助我們優(yōu)化程序。
這個時候我剛好去西北出我的最后一次差。再次回到奮戰(zhàn)數(shù)個月的地方，特別感概，覺今是而昨非。
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(xiàn)代文章。
為了便于統(tǒng)一比較，目前大家普遍引入水滴收集系數(shù)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。同樣的，思路很清晰，搞起來卻不容易
2 水滴收集量算法設計的三種思路
我們再發(fā)射水滴前，是不確定這個水滴具體撞擊位置的，因此無法正面直接確定壁面節(jié)點對應的水都軌跡。
另外一個方面，冰形的冰角位置和水滴收集量大的地方不是絕對的對應，因為水滴在翼面上會流動，這個流動對冰角位置的影響是很大的，而這個流動由結冰熱力學方程確定的。也就說，即便前面流場的計算存在一定的誤差，導致水滴的運動出現(xiàn)一定的偏差，但是最后的結冰熱力學計算，可以把冰角的位置修正過來。
采用拉格朗日法，并基于二分法預測水滴收集系數(shù)。目前針對二分法計算效率低的問題，研發(fā)團隊已經(jīng)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(jīng)典Messinger結冰模型預測結冰量。
