一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器

摘要

本发明公开了一种基于过冷水滴运动与撞击的数值计算方法设计过冷大水滴(SLD)结冰探测器外形的方法。现有结冰探测器通过探测大气中的液态水含量、温度等信息，进一步分析是否存在结冰条件。本发明的目的在于解决现有探测方式只对液态水含量敏感，而不能区分水滴粒径，无法用于SLD结冰探测的问题。其包括第一凸起和后部，第一凸起和后部之间通过凹槽相连。本发明设计出曲率变化的探测器构型，使得常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部，整个探测器上只有一个连续的撞击区域；在SLD条件下，除了前面部分有过冷水滴撞上以外，后面也将遇到过冷水滴的撞击，这将表现为探测器出现多个不连续的结冰区域。

说明书

技术领域

本发明涉及航空探测领域，尤其是一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器。本发明能够有效确定飞行环境中是否存在过冷大水滴，从而为飞行器结冰安全防护提供保障。

背景技术

大气高空中存在低于零度，但还属于液态的过冷水滴，这种水滴稍微受到干扰就可能迅速冻结。当飞机穿过含有过冷水滴的云层时，过冷水滴撞击到飞机表面，将会发生结冰现象，结冰是飞行安全的重要隐患之一。过去很长一段时间以来，研究者曾认为飞机结冰主要是由直径小于50μm的过冷小水滴引起的，研究工作也主要针对过冷小水滴进行，1994年美国鹰航空难及之后一系列由于SLD(Supercooled Large Droplet，泛指直径大于50μm的过冷水滴)结冰导致的空难使人们认识到，SLD结冰广泛存在于飞行实践中，对飞行安全造成的危害往往比小水滴结冰更大。

现在的结冰探测器只能探测大气中是否存在结冰条件，而不能探测大气中是否存在SLD，国内外现有探测器的方法是：探测大气中的液态水含量、温度等信息，分析是否存在结冰条件，在飞机机体上出现结冰之前而发出告警信号。现有方法只对液态水含量敏感，不能区分水滴粒径，这就使得现有的这些探测器都不能用于SLD结冰环境识别。

华中科技大学的葛俊峰、许一飞、周灿等人对SLD结冰探测器设计进行了探索，他们的提出了两种SLD结冰探测器外形的设计方法，一种是利用对SLD分裂性能的一些猜想设计多种外形，依靠实验方法来确定外形，这种方法缺乏外形曲率设计的依据，通过大量的实验挑选符合条件的外形设计方法周期长，成本高；第二种方法是利用SLD撞击到前缘缓慢流入凹槽、再流向后梭侧壁结冰的猜想设计外形曲线，这种方法与前一种方法一样，缺乏外形曲率设计的依据，同样具有设计、验证周期长，成本高的缺点，且这种方法对过冷水滴温度依赖强，如果温度很低，就算有SLD撞击到前缘也会立刻结冰，不会流到凹槽和后梭，这种方法实际上不可行。另外，这两种方法均基于对SLD结冰与常规结冰的结冰特性的一些猜想进行外形设计，但是结冰特性除了与水滴粒径大小相关外，还与温度、液态水含量等其他条件相关，依赖结冰特性的设计方法不能完全区分SLD与常规水滴结冰。

综上所述，现有成熟结冰探测器只能探测大气中是否存在结冰条件，而不能探测大气中是否存在SLD；现有SLD结冰探测器的外形设计方法均依赖设计者的一些猜想，缺乏设计依据，设计、验证周期长，成本高，且存在一些设计上的缺陷。

发明内容

现有结冰探测器通过探测大气中的液态水含量、温度等信息，进一步分析是否存在结冰条件。本发明的目的在于解决现有探测方式只对液态水含量敏感，而不能区分水滴粒径，无法用于SLD结冰探测的问题。本发明提供一种基于过冷水滴运动与撞击的数值计算方法设计过冷大水滴(SLD)结冰探测器外形的方法，即一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器。本发明的发明目的在于解决现有探测方式只对液态水含量敏感，而不能区分水滴粒径，无法用于SLD结冰探测的问题。与常规水滴结冰相比，SLD结冰对飞机飞行安全的危害更加严重，因此，采用合适的方法探测到飞行环境中是否存在SLD，对结冰条件下的飞行安全具有非常实用的工程意义。本发明公开了一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器，本发明的设计方法利用SLD比常规水滴惯性大，水滴轨迹偏离运行轨迹慢的特点，设计出曲率变化的探测器构型，使得常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部，整个探测器上只有一个连续的撞击区域；在SLD条件下，除了前面部分有过冷水滴撞上以外，后面也将遇到过冷水滴的撞击，这将表现为探测器出现多个不连续的结冰区域。通过结冰区域数来确定飞行环境中是否存在SLD，从而为飞机结冰安全防护提供输入条件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法，包括如下步骤：

(1)设计一个探测器构型，该探测器构型包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，其中，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连；

(2)对步骤1设计的探测器构型进行常规水滴下的水滴撞击特性计算，以及过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；

(3)若步骤2的结果表明，在常规水滴及过冷大水滴条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，第一凸起和后部会发生结冰，就无法识别过冷大水滴条件，抬高第一凸起的高度或降低后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；

若在常规水滴及过冷大水滴条件下，后部上均没有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，后部的第二凸起都不会发生结冰，也无法识别过冷大水滴条件，降低第一凸起的高度或抬高后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算；

若在常规水滴条件下，水滴只撞击在探测器构型的第一凸起上，而在SLD条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到，表明该探测器构型符合要求，结束设计，即可。

所述步骤3中，通过探测器构型是否存在多个不连续的结冰区域判断是否存在过冷大水滴，通过探测器构型后部的结冰情况区分过冷大水滴和常规水滴。

所述步骤1中，所述后部由一个第二凸起组成，所述第一凸起与第二凸起之间通过凹槽相连。

所述步骤3中，所述第一凸起的高度和后部的高度基于常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算结果。

一种过冷大水滴结冰探测器，包括第一凸起和后部，所述第一凸起和后部之间通过凹槽相连，所述后部由若干个第二凸起组成，所述第二凸起之间通过凹槽相连。

所述后部由一个第二凸起组成，所述第一凸起与第二凸起之间通过凹槽相连。该结构形成前凸起、中凹进、后凸起的构型。

所述第一凸起能在常规水滴和SLD条件下结冰；所述后部的第二凸起在常规水滴条件下部不结冰，在过冷大水滴条件下能结冰。

所述后部由一个第二凸起组成，所述第一凸起与第二凸起之间通过凹槽相连。

针对前述问题，本发明提供一种过冷大水滴结冰探测器的设计方法及探测器。本发明的方法中，设计一个曲率变化的探测器构型，使得常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部(即第一凸起上)，整个探测器上只有一个连续的撞击区域；而在过冷大水滴条件下，除了前部(即第一凸起上)有过冷水滴撞上以外，后部也将遇到过冷水滴的撞击，在探测器上从而表现出多个不连续的结冰区域。

以最简单的三个撞击区域为例，该探测器包括第一凸起和第二凸起，第一凸起与第二凸起通过凹槽相连，即该探测器由两个凸起部分组成，以第一凸起作为前凸起部分，以第二凸起作为后凸起部分。探测器的前凸起部分在常规过冷水滴下会出现结冰，而后凸起部分不会出现结冰现象；而在SLD条件下，探测器的前凸起部分和后凸起部分均会出现结冰情况。通过探测器不同位置的结冰情况来探测是否存在结冰条件，同时区分出SLD结冰与常规过冷水滴的结冰。采用本发明的探测器，常规水滴只能撞击在探测器前凸起部分(即第一凸起)，SLD情况下则即可以撞击到探测器的后部上，通过结冰位置的不同来识别SLD结冰。

本发明中，第一凸起、凹槽、后部形成前面凸起、中间凹进去、后部再凸起的构型，从而形成凹凸曲线的斜率变化，而凹凸曲线的斜率变化正是本发明设计的关键因素。通过对探测器结构的设计，使得SLD条件下，水滴能一部分撞击到第一凸起上，一部分撞击到后部上。

本发明中，首先设计出一个探测器构型，并分别计算其在常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算。

根据计算的结果，若在常规水滴及过冷大水滴条件下，第一凸起和后部上均有水滴撞击到的话，表明在常规水滴和SLD条件下，前后凸起部分都会发生结冰，就无法识别过冷大水滴条件。在该种情况下，需要对构型进行改进，这种情况说明后凸起部分斜率凸起的太多，可通过适当抬高前凸部分高度或降低后凸部分高度的方法得到新的构型，将得到的新的探测器构型再重复进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算。

若在常规水滴及过冷大水滴条件下，后部上均没有水滴撞击到的话，说明在常规水滴和SLD条件下，后部的第二凸起都不会发生结冰，也无法识别过冷大水滴条件。因此，需要对构型进行改进，这种情况说明后凸起部分斜率凸起的太少，降低第一凸起的高度或抬高后部中第二凸起的高度，得到新的探测器构型，将得到的新的探测器构型返回步骤2分别进行常规水滴下和过冷大水滴条件下的水滴撞击特性计算。

若在常规小水滴条件下，水滴只撞击在探测器构型的第一凸起上，而不撞击在后部上，而在SLD条件下，第一凸起和后部的第二凸起均有水滴撞击到，这表明，该构型在SLD条件下，后部会结冰，而在常规水滴条件下，后部的第二凸起不会结冰，则此构型符合要求，该构型即为所需设计的构型，结束设计。

本发明中的探测器包括两个或多个凹凸面，各连接部分的斜率和高度通过不同粒径条件下水滴的撞击特性的差异来确定。本发明利用SLD与常规水滴撞击特性不同的特点，通过是否存在多个不连续的结冰区域来判断是否存在SLD，以及探测器构型后部的结冰情况来区分SLD与常规水滴的结冰。

现有方法基于SLD条件下可能存在过冷水溢流导致结冰特性不一致等猜想进行SLD结冰探测器外形设计，但是结冰特性除了与水滴粒径大小相关外，还与温度、液态水含量等其他条件相关，结冰特性的不同并不能完全区分SLD与常规水滴，而水滴撞击特性则与温度、液态水含量等条件无关，因而本发明基于水滴撞击特性的探测器外形设计方法，能更好的区分SLD与常规小水滴的区别。现有SLD结冰探测器的外形曲率设计方法缺乏设计依据，过多的实验带来设计过程周期长、费用高的缺陷，而本发明通过水滴撞击计算分析的方法设计曲线，不需要生产多个曲率变化外形进行大量试验来挑选，极大地节约了成本和设计周期，具有显著的进步。

申请人通过研究SLD与常规过冷水滴下结冰的特点，通过设计一种新的探测器构型，从而探测出飞行环境中是否存在SLD条件，为飞行器结冰防护提供准确的输入条件，对飞行器结冰条件下的安全飞行具有显著的进步意义。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为第一种探测器构型在常规水滴(水滴直径d＝20微米)条件下的水滴轨迹图。

图2为第一种探测器构型在过冷大水滴(水滴直径d＝100微米)条件下的水滴轨迹图。

图3为第二种探测器构型在常规水滴(水滴直径d＝20微米)条件下的水滴轨迹图。

图4为第二种探测器构型在过冷大水滴(水滴直径d＝100微米)条件下的水滴轨迹图。

图5为第三种探测器构型在常规水滴(水滴直径d＝20微米)条件下的水滴轨迹图。

图6为第三种探测器构型在过冷大水滴(水滴直径d＝100微米)条件下的水滴轨迹图。

图7为第四种探测器构型在常规水滴(水滴直径d＝20微米)条件下的水滴轨迹图。

图8为第四种探测器构型在过冷大水滴(水滴直径d＝100微米)条件下的水滴轨迹图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

一、制定过冷大水滴探测器构型的设计目标。

设计一个曲率变化的探测器构型，使得其在常规水滴条件下，水滴将全部撞击到构型的前部，整个探测器上只有一个连续的撞击区域。而在SLD条件下，除了前面部分有过冷水滴撞上以外，后面也将遇到过冷水滴的撞击，表现为探测器出现多个不连续的结冰区域。

以下均以最简单的三个撞击区域为例，设计一个探测器构型，该探测器构型包括第一凸起和后部，后部由一个第二凸起组成，第一凸起与第二凸起之间通过凹槽相连。即该探测器由两个凸起部分组成，形成不同过渡段斜率的探测器构型。该探测器构型的设计目标在于：探测器构型后凸起部分(即第二凸起)在常规过冷水滴条件下不会出现结冰情况，而在SLD条件下会出现结冰情况，构型前凸起部位(即第一凸起)在不同过冷水滴条件下，都会结冰。通过不同位置的结冰情况来探测是否存在结冰条件，并区分SLD与常规水滴的结冰。即常规水滴只能撞击在探测器构型的第一凸起上，而过冷大水滴则可以撞击到第二凸起上，从而通过结冰位置的不同，来实现对大水滴结冰探测的识别。

二、为了使得SLD条件下，水滴能一部分撞击到前面部分，一部分撞击到后面部分。探测器构型必须是前面凸起、中间凹进去、后面再凸起的构型，凹凸曲线的斜率变化是设计的关键因素。本实施例中，以一个类似于椭圆状的物体中间带一个曲率连续变化的凹槽为初始构型，进行过冷水滴撞击特性计算，计算方法如下所述。

过冷水滴撞击特性计算方法主要包含两部分：空气流场计算方法、水滴撞击计算方法。

(1)探测器周围空气流场计算方法

进行结冰探测器气动外形设计，需要计算探测器周围的空气流场。

①控制方程

空气流场计算的控制方程为低速粘流的时均N-S方程，其通用形式为：

方程(1)中，ρ_a为空气密度，为空气速度，和取不同的值，可代表空气场的连续性方程、动量方程和湍动能等其他标量的输运方程。

②控制方程的离散方法

采用有限体积法离散求解方程(1)。以点P为中心点的六面体为例，方程中各项的离散方法为：

I对流项的离散

根据高斯散度定理，对流项采用如下方案进行离散

式(2)中，nb＝e,w,n,s,t,b，分别代表以P点为中心的控制体的六个面，为各面对应的面积，对于空气相的控制方程有

控制体界面上的变量值用迎风插值和线性插值相结合的方法计算，以边界面“e”为例，插值方法为

其中为迎风插值的量，为线性插值的量，ε为混合因子，0≤ε≤1。

II源项的离散

输运方程的源项对不同的方程都有不同的表达式，为了使其离散化表达式尽可能逼近源项本身，加强代数方程的主对角优势，提高代数方程组求解的稳定性，对源项采用线性化方式做进行处理，即令

则源项的离散形式为

式中，δV为控制体的体积。

III时间项离散

时间项采用如下二阶精度格式进行离散

其中，上标n+1、n和n-1分别代表t+Δt时刻、t时刻和t-Δt时刻的值。

(2)水滴运动轨迹计算方法

为了确定探测器的放置位置，需要研究探测器流场中水滴的运动轨迹，为了使轨迹计算更直观，我们采用欧拉方法计算水滴运动轨迹。

①水滴运动方程

计算水滴运动，是在流场解算的基础上，由牛顿第二定律，直角坐标系中，三维水滴运动方程可以写成

$>\left(\begin{array}{c}{M}_d\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{1}{2}{\rho }_a{A}_d{C}_d|u_a-u_d|(u_a-u_d)\\ M_d\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=({\rho }_d-{\rho }_a)V_{d}g+\frac{1}{2}{\rho }_a{A}_d{C}_d|v_a-v_d|(v_a-v_d)\\ M_d\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{1}{2}{\rho }_a{A}_d{C}_d|w_a-w_d|(w_a-w_d)\end{array}\right)---\left(8\right),$>

其中，M_d是水滴质量，A_d是水滴的迎风面积，V_d是水滴体积，ρ_a是空气密度，g是重力加速度，C_d是阻力系数，u_a、v_a、w_a分布代表x、y、z方向的当地气流速度，u_d、v_d、w_d分布代表x、y、z方向的当地水滴速度。

②水滴相流场计算的控制方程

引入水滴容积分数α，其定义为空间微团中水滴相所占的体积比例，则可以建立水滴相的控制方程，包括连续方程和动量方程，分别为：

方程(9)、(10)中，为水滴速度，ρ_d为水滴密度，为重力加速度，K为惯性因子，其表达式为

$>K=\frac{{18\mu }_a}{{\rho }_d{d_{\mathrm{eq}}}^2}·\frac{C_D\mathrm{Re}}{24}---\left(11\right)$>

式(11)中，μ_a为空气动力粘性系数，d_eq为水滴直径，C_D为水滴阻力系数，Re为相对雷诺数，其表达式为

水滴运动过程中，阻力随相对雷诺数变化而变化，本申请采用如下公式计算阻力：

$>\frac{C_D\mathrm{Re}}{24}=1+0.197{\mathrm{Re}}^{0.63}+2.6\times {10}^{-4}{\mathrm{Re}}^{1.38}---\left(13\right);$>

与空气场控制方程类似，水滴相控制方程可以统一写成输运方程的形式：

其中，为源项，取1、u_d、v_d或w_d分别代表连续方程和x、y、z方向的动量方程。

③水滴相控制方程的离散方法

对于方程(14)，对流项和源项的离散方法与方程(1)一致，时间项采用一阶显式离散，即

④壁面边界条件

水滴相计算，采用壁面吸入边界条件，即如果水滴与物面碰撞，则认为水滴从碰撞点流出。

⑤水滴收集率的计算

由于水滴容积分数α较小(10^-6量级)，可以认为空气和水滴是单向作用，即只考虑空气对水滴的作用，忽略水滴对空气的作用。因此，水滴收集率的计算步骤可概括为：首先，计算空气场，本文采用SIMPLE方法计算空气场，湍流模型为标准k-ε湍流模型；其次，在得到空气流场分布的基础上，求解水滴相控制方程；最后，水滴收集率β可在获得当地水滴容积分数α和水滴与物面的相对速度之后，由以下表达式得到：

其中，α_∞为远场水滴容积分数，为远场水滴速度，为物面碰撞点处的单位法线向量。

三、对设计的探测器构型进行常规水滴以及SLD条件下的水滴撞击特性计算。

采用上述方法，对探测器构型进行水滴撞击特性的计算。另外，飞机结冰往往在起降阶段，速度不会太高，因此，计算均采用100m/s的速度。

图1中给出了第一种探测器构型，对其进行常规水滴撞击特性计算，图1给出了其在常规水滴条件下的水滴轨迹图。

同时，对第一种探测器构型进行过冷大水滴撞击特性计算，图2给出了其在过冷大水滴条件下的水滴轨迹图。

结果表明，无论是小水滴(即常规水滴)还是大水滴(即过冷大水滴)，均不能碰撞在探测器构型的后部，正常情况下，探测器构型后部均不能结冰，当然，强溢流情况下可能会在后部某些区域结冰，但是强溢流的条件不具备普适性，因此，第一种外形均不能实现预期的设计目标。

从图中可看出，常规水滴和SLD条件下，第二凸起都没有水滴撞击到，说明常规水滴和SLD条件下，第二凸起所在的后部都不会发生结冰，这就也不能识别SLD条件。因此，在第一种探测器构型的基础上进行改进，该情况说明第二凸起的斜率凸起的太少，通过适当抬高第二凸起的高度或降低第一凸起的高度的方法得到新的构型，即第二种探测器构型。

四、继续采用上述方法，对第二种探测器构型进行水滴撞击特性计算。图3为第二种探测器构型在常规水滴(水滴直径d＝20微米)条件下的水滴轨迹图，图4为第二种探测器构型在过冷大水滴(水滴直径d＝100微米)条件下的水滴轨迹图。图3、图4中可以看出，后部还是没有水滴撞击到，对外形继续改进，将后部斜率抬高得到第三种外形。

五、对第三种外形进行水滴撞击特性计算，从图5、图6中可以看出，探测器后行的后部(即第二凸起)在常规过冷水滴和SLD条件下都有水滴撞击到，这种情况说明后凸起部分斜率凸起的太多，可通过适当抬高前凸部分高度或降低后凸部分高度的方法得到新的构型，对外形继续改进，得到第四种外形。

六、对第四种外形进行水滴撞击特性计算，从图7、图8中能看出来：在常规小水滴条件下，水滴只撞击在探测器构型的第一凸起上；而在SLD条件下，第一凸起和第二凸起都有水滴撞击到。这表明，该构型在SLD条件下第二凸起所在的后部会结冰，而常规水滴条件下，第二凸起所在的后部不会结冰，此构型符合要求，即第四种外形即为所需设计的构型，结束设计。

实际应用结果表明，本发明中基于过冷水滴运动与撞击数值计算的方法设计过冷大水滴(SLD)结冰探测器外形的方法，具有设计周期短、成本低等优点，且不依赖于温度、液态水含量等其他条件，可以有效区分SLD与常规水滴结冰，从而为飞行器结冰防护提供准确的输入条件，对飞行器结冰条件下的安全飞行具有显著的进步意义。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。