水滴收集的案例
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 我能逆轉時間嗎？—Spring3D-Drop結冰程序研發記
（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插值法，用僅可能少的水滴，插值出收集系數。
縮短單根水滴的計算時間
經過調試發現。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。程序模塊化的優勢這個時候體現了出來，它還能精準的幫助我們優化程序。
這個時候我剛好去西北出我的最后一次差。再次回到奮戰數個月的地方，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單元數量。
這兩個方法用上以后，效果是立竿見影的。原先數個小時的工作，現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射，一個是保持總數不變，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。
三維水滴收集系數插值法
這個是我最得意的一招，無論是原創性還是精妙程度，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 Spring-ICE 結冰算法述評-（2）水滴軌跡計算
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，作為一個涉及多個學科的平臺開發，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 水滴狀態的判斷
水滴狀態無外乎三種：
（1）處于運動區；
（2）沖出設定區域；
（3）撞到翼面。
前兩種狀態容易判斷，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運動的距離，然后更新水滴位置；
（4）判斷水滴狀態，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，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 飛機結冰的那些事（2） Spring-Ice結冰軟件介紹
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。
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。
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 為什么壓縮機系統會出現水？
在更高的壓力下，水滴會被去除。在下一步中，將壓力降低到所需的壓縮空氣壓力。從這一階段開始，由于相對濕度下降到100％以下，壓縮空氣中僅存在水蒸氣。
二、冷卻
因為壓縮空氣被冷卻到較低的溫度。在此較低的溫度下，相對濕度超過100％，并形成水滴。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。
水分分子通過擴散運入孔中，并通過物理結合和毛細管凝聚而積累。在這種情況下，當珠粒飽和時，必須對其進行再生，然后才能再次開始吸附。可以通過加熱磁珠或向磁珠上方輸送干燥空氣來完成再生。在這兩種情況下，保水力都被破壞，水分子被去除。
例如，55kW螺桿空氣壓縮機在24°C的環境溫度和75％的相對濕度下運行，每天將產生280升的水。我們可以選用的配件分離水：后冷卻器，冷凝水分離器，冷凍式干燥機和吸附式干燥機。使用7 bar（e）高壓的壓縮機將空氣壓縮至其體積的1/8；這也降低了空氣含水量的7/8。如此被壓縮析出的水量是不可忽視的。
例如，在20攝氏度和60％相對濕度下吸入空氣的90kW壓縮機在8小時班次期間將釋放大約85升水。
所以說，取決于壓縮空氣的應用環境，這也決定了我們要選擇怎樣的冷卻器和干燥機組合。
展開 四川大學宋飛教授團隊CEJ：四重仿生策略構建自發高效水汽收集表面
基于四重仿生的水汽收集全過程優化示意圖
圖2. 超親水凸起結構的制備
作者將呼吸圖案法與噴墨打印技術相結合，制備了具有超親水規則凸起結構和穩定潤滑區的潤滑-超親水圖案化表面（圖2）。通過對比表面潤濕性差異對水汽收集過程的影響（圖3），發現超親水區域可有效提升表面的水汽捕獲能力，集水效率大幅提高。
圖3. 表面潤濕性差異對水汽收集性能的影響探究
觀測水收集過程可以發現，相比于仿甲蟲超疏水-超親水圖案化表面，該工作中潤滑液依附超親水凸起結構形成了彎液面，產生的毛細作用力驅動捕獲的微液滴向超親水凸起區域自發運動并融合。作者還研究了超親水區域圖案類型以及分布對于水汽收集的影響，發現楔形形貌有利于形成連續的水輸送通道，進一步提升了對液滴的運輸速度。通過調整楔形超親水圖案的分布（圖4），作者發現恰當的圖案分布才有利于獲得更高水收集效率。
圖4. 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，作者進一步優化超親水圖案，制備的仿蕨圖案化表面可以自發將融合水滴向“根部”輸送（圖5），既保證了充足的超親水區域用于水汽捕獲，又有效降低了水收集屏障。該表面實現了水汽捕獲、融合、運輸以及收集四個過程的同步優化，水收集效率達到2166±71 mg cm –2 h –1，相比于單一潤滑表面提升幅度達到139%。
圖5.
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