结冰计算中翼面网格重构研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252011V01．32No．2231．241ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)02—0231—1l结冰计算中翼面网格重构研究孙志国，朱程香，付斌，朱春玲*南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：对结冰数值计算中的网格生成进行了深入研究，针对结冰后几何边界的复杂性及边界依赖于时间步长变化对网格生成的影响展开了分析。网格生成是结冰

2、计算的基础，文中基于求解椭圆形偏微分方程(PDEs)生成了未结冰时翼面周围的背景网格，采用Hilgenstock源项构造方法，合理控制了结冰边界周围的网格间距和正交性。模型表面结冰后，为了提高网格生成的效率、质量及可靠性，完成复杂冰形上的网格重构，提出了椭圆形、扇形分区及网格局部重构思想，同时保持分区内的网格拓扑结构不变、流场局部更新。最后将网格模块NI-GRID集成于结冰计算软件NUAA-ICE3D中，并对二维翼型和三维机翼的网格生成与重构进行了验证。关键词：结冰代码；网格重构；贴体网格；控制源项；网格分区；机翼中图分类号：V231．3文献标识码：A飞机飞

3、入结冰云层时，大量过冷水滴随着气流流动撞击到机翼前缘，水滴发生冻结的程度差异很大，其中冰一层一层地附着并增长是一个显著特征，它表征了冰层表面各种参数变化的非定常性。数值计算中为了尽可能准确地模拟结冰过程，将结冰时间划分为多个时间步进行，在每个时间步长后都完成一次网格、流场、水滴收集和冰形增长等更新工作L1]，直到累计总时间达到指定值。然而，机翼前缘不规则的结冰冰形造成了几何模型和表面粗糙度的变化，最终导致了气流、水滴绕流和传热传质特性的复杂变化。在结冰预测中，离散计算区域并生成网格是所有计算的基础，生成网格的质量(疏密性、正交性和光顺性等)会直接影响到后续流

4、场和水滴轨迹计算的效率、精度及稳定性，还会影响到冰形预测的准确度。由于冰形的复杂性和网格随时间步长的反复重构给结冰计算带来巨大困难。近年来，国内外学者在结冰机翼网格生成和重构方面做了一定的研究工作，研究对象主要为二维翼型。二维结冰中，网格生成均基于求解椭圆形或抛物形微分方程获得，实现了分时间步长重构网格L2-3j，然而在网格重构的稳定性和自动化方面仍需要进一步研究；三维结冰中，一般都基于成熟的网格划分软件展开，如加拿大的FEN—SAP—ICEE4]采用了ICEM—CFD软件划分未结冰模型表面的网格，法国的ONICE3DL51结冰软件也与此类似；而美国的LEW

5、ICE3D[6]基于面元法计算流场因此不需要生成网格。由于在三维空间下结冰后网格重构方面存在巨大困难，目前在计算中都只能基于一个时间步进行，即将结冰过程作为定常过程计算，不存在网格重构问题。然而在三维计算中由于始终基于未结冰模型表面的特性参数展开，因此结冰数值计算的误差也较大。本文综合分析了二维翼型和三维机翼结冰计收稿日期：2010．03．22；退修Et期：2010—06—17；录用日期：2010—08-06；网络出版时闻：2010—11-1109：15网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20101111．0915

6、．030．htmIDOI：CNKI：11-1929／V．2010””．0915．030基金项目：国家自然科学基金(10972106)*通讯作者．Tel．：025—84896667E-mail：clzhu@nuaa．edu．∞寻l搠格式l孙志国．来程香．付斌．等．结冰计算中翼面两榕

7、构研究￡JI．航空学报，2011．32(2)：231-241．SunZhiguo．ZhuCheng-xiang。Fu8in．etal，ResearchofgridreconstructiononwingsurfacesforicingcalculationfJ7．ActaAeron

8、auticaetAstronauticaSinica．20{

9、．32<2)：231．241．mi{m算中的同格乍成问题．研究了每个时问步上冰层增长后的嗍格咀构．提m同格分嵯’#成、J一0部型新以及阿格拓扑结构保持不变的思：

10、!：【：前先生成未结冰时忙场的背景网格，然后根据所划分R提取边界上的节点坐标；处理结冰后冰k；表面节点分布井使之阿格拓扑结构与木结耐(时一致．最终吖“宴剧背壮州格小变H更新机弹li玎缘删格的U的。所蝌扣扑结构水变足指．锥个结冰时问步长r，整场网格I。仅冉指定丹蚝内网格肋冰形甭构而重构．且分医内I√和K3个索引方向上的网格节点数侏持小空。采

11、用前一时间步托l。收敛的漉场信息对分区山肖点进行初始