一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法

摘要

本发明提出涉及一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法，属于水滴轨迹模拟计算技术领域。包括以下步骤：S1.读入飞机网格信息和飞机网格内的空气流场计算结果；S2.设定单颗水滴的初始释放位置和初始速度；S3.根据单颗水滴的初始位置和初始速度、空气流场计算结果计算水滴的加速度；S4.计算水滴在网格内的运动轨迹、水滴与网格边的交点和交点处水滴的速度；S5.寻找相邻网格，在相邻网格重复S3和S4，不断得到水滴与网格的交点，直至水滴超出计算区域；S6.设定不同水滴释放的初始位置，重复S3至S5，直至完成所有水滴轨迹的计算。解决了现有技术中存在的计算水滴运动过程数据多效率低技术问题。

说明书

技术领域

本申请涉及水滴轨迹模拟计算方法，尤其涉及一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法，属于水滴轨迹模拟计算技术领域。

背景技术

当飞机在高空中云层飞行时，云层中的过冷水滴会撞击到飞机表面，在迎风面发生结冰现象，飞机结冰严重的威胁了航空安全，是航空领域关注的重要问题之一。数值模拟是预测飞机结冰的重要手段，导致结冰的云雾粒子（包括小水滴、大水滴、冰晶等）轨迹的模拟是结冰与防除冰计算的重要步骤。

拉格朗日法是最为常用的水滴轨迹计算方法，针对水滴粒子随空气流场的运动建立方程，根据预设的水滴释放区域和空间间隔，在流场空间中进行推进计算，直至计算的水滴轨迹覆盖整个模型范围。

水滴轨迹计算严格依赖空间信息和流场计算结果，每一步的空间推进后，需要寻找到当前粒子在网格中的位置，由于数值计算的网格数量非常多，寻找粒子所在的网格单元需要耗费大量的计算资源。同时，参照图4所示，现有数值计算中需要设定计算的时间步长，也就是An和An+1之间的时间步长，一般取值为0.001s，在水滴靠近飞机表面时，需要时间步长需要取的很小，甚至要达到10-5s，因此在水滴整个运动过程计算中需要花费较长时间完成。基于这些问题，需要一种高效的拉格朗日粒子轨迹计算方法，提高飞机结冰预测速度，帮助工程计算人员更快速、方便的开展数值模拟计算。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为解决现有技术中存在的计算水滴运动过程数据多效率低技术问题，本发明提供用于一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法。

方案一、一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法，包括以下步骤：

S1.读入飞机网格信息和飞机网格内的空气流场计算结果；

S2.设定单颗水滴的初始释放位置和初始速度；

S3.根据单颗水滴的初始位置、初始速度和空气流场计算结果计算水滴的加速度；

S4.计算水滴在网格内的运动轨迹、水滴与网格边的交点和交点处水滴的速度；

S5.寻找相邻网格，在相邻网格重复S3和S4，不断得到水滴与网格的交点，直至水滴超出计算区域；

S6.设定不同水滴释放的初始位置，重复S3至S5，直至完成所有水滴轨迹的计算。

优选的，飞机网格信息包括网格节点位置、网格所包含的节点编号和网格拓扑关系；空气流场计算结果包括飞机网格内的空气速度。

优选的，S3具体方法是：根据单颗水滴的初始位置、初始速度、空气流场计算结果计算水滴的加速度公式如下：

其中，

其中，

优选的，S4具体方法是：

水滴在网格内的运动轨迹描述方程如下：

其中，

根据水滴在网格内的运动轨迹获取水滴在网格除初始位置外另外三条边的交点，求得水滴在网格内的轨迹和网格边的交点

方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法的步骤。

方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法。

本发明的有益效果如下：

1、本发明基于相邻边寻找水滴计算所需的网格位置获得拉格朗日法水滴轨迹，不需要通过传统方法去寻找水滴所在的网格，大幅度提高了计算效率。

2、本发明基于网格进行水滴运动过程中各个点的推进，避免时间步长过小或者过大导致的计算时间过程或时间误差，大幅提高了计算效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法流程示意图；

图2为单个网格内水滴轨迹计算方法示意图；

图3为水滴轨迹计算方法中各个交点示意图；

图4为现有拉格朗日法计算水滴轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1、参照图1-图4说明本实施方式，一种基于拉格朗日法的水滴轨迹模拟计算方法，本发明基于飞机网格信息与空气流场计算结果，根据水滴初始释放位置，迭代计算单颗水滴粒子的运动轨迹，在单颗水滴的迭代求解中，通过寻找水滴运动与背景网格的交点来推进，求出全域拉格朗日水滴运动轨迹。本发明适用于飞机结冰中的拉格朗日水滴轨迹计算方法，基于已知的网格拓扑关系可迅速寻找到水滴运动位置，计算方法原理简单，在保证了程序鲁棒性的条件下明显提升了计算效率。具体包括以下步骤：

S1.读入飞机网格信息和飞机网格内的空气流场计算结果，飞机网格信息包括网格节点位置、网格所包含的节点编号和网格拓扑关系；空气流场计算结果包括飞机网格内的空气速度。

具体的，参照图2，读入网格节点信息，图2中的网格由四个节点P1、P2、P3和P4构成，每个节点的坐标已知，为P1x，P1y、P2x，P2y、P3x，P3y和P4x，P4y。网格内的空气速度

S2.设定单颗水滴的初始释放位置和初始速度；

S3.根据单颗水滴的初始位置、初始速度和空气流场计算结果计算水滴的加速度，再由水滴具体方法是：

其中，

其中，

计算出水滴在网格内的加速度，可以得到水滴初始速度和加速度在x,y坐标上的分量

S4.计算水滴在网格内的运动轨迹、水滴与网格边的交点和交点处水滴的速度；具体方法是：

水滴在网格内的运动轨迹描述方程如下：

其中，

根据水滴在网格内的运动轨迹获取水滴在网格除初始位置外另外三条边的交点（参照图2，边P1、P2是水滴的初始位置所在的边，因此水滴的另一个交点不会在此边上，而是在P2P3、P3P4和P4P1这三条边上），求得水滴在网格内的轨迹和网格边的交点

S5.寻找相邻网格，在相邻网格重复S3和S4，不断得到水滴与网格的交点，直至水滴超出计算区域；

具体的，参照图2，找到新交点An+1所在的边（P3和P4）与P1、P2、P3和P4拥有公共边P3、P4的P3、P4和P5、P6网格为下一时刻所在的网格，重复S3和S4，可以得到交点An+2，如此不停的计算，直至超出计算区域，可以得到参照图3所示的水滴轨迹线（A

S6.设定不同水滴释放的初始位置，重复S3至S5，直至完成所有水滴轨迹的计算。

实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的推荐数据的推荐方法的步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital,SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

实施例3、计算机可读存储介质实施例

本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的建模数据的建模方法的步骤。

所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccess Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。