基于梯度下降的水滴收集率计算方法

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26381

流体力学与飞行力学

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基于梯度下降的水滴收集率计算方法

任靖豪¹, 王强¹^,², 李维浩¹, 刘宇¹, 易贤¹^,²()

^1.中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室，绵阳 621000
^2.中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，绵阳 621000

收稿日期:2021-09-14 修回日期:2021-11-17 接受日期:2021-12-11 出版日期:2023-02-25 发布日期:2021-12-24
通讯作者: 易贤 E-mail:yixian_2000@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12132019);国家重大科技专项（J2019-Ⅲ-0010-0054）

A prediction algorithm of collection efficiency based on gradient descent method

Jinghao REN¹, Qiang WANG¹^,², Weihao LI¹, Yu LIU¹, Xian YI¹^,²()

^1.Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^2.State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2021-09-14 Revised:2021-11-17 Accepted:2021-12-11 Online:2023-02-25 Published:2021-12-24
Contact: Xian YI E-mail:yixian_2000@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12132019);National Major Science and Technology Project （J2019-Ⅲ-0010-0054）

摘要/Abstract

摘要：

拉格朗日方法在计算三维复杂外形的水滴撞击特性时，一般需要通过插值获得物面网格上的水滴收集率，而这一过程容易造成计算结果失真。建立了一种基于梯度下降的水滴收集率计算方法，通过确定撞击物面网格角点的水滴轨迹实现物面网格中心处的水滴收集率计算，避免插值运算。该方法的计算思路如下：根据撞击点到目标点的距离，采用梯度下降法自适应地调控水滴的初始释放位置，使撞击点落在壁面网格角点附近的给定阈值范围内；采用邻点检索算法，快速确定迎风面内所有撞击网格角点的水滴轨迹；基于流管定义，计算出网格中心处的水滴收集率。采用该方法对典型三维外形的水滴收集率进行了计算，并与相关文献结果进行对比。结果显示计算结果与文献数据吻合良好，有效克服了现有技术中因插值导致的结果失真问题，能够为飞机结冰及防除冰技术研究提供参考。

关键词: 飞机结冰, 水滴收集率, 拉格朗日方法, 方形邻域, 梯度下降法

Abstract:

The collection efficiency transfer from impinging point to grid nodes is indispensable when determining droplet impingement property by the traditional Lagrange method. However， the general interpolation technique may bring errors and make the results disagree with the reality in the three-dimensional case. To void the interpolation， this paper proposed a new strategy that gets the trajectory of impinging near the grid node by the gradient descent method and calculates the collection efficiency on the cell center. The improved algorithm uses a deviation function iteration by gradients descent method to reduce the distance between an impinging point and the grid node. And then， a neighbor search algorithm is applied to obtain all the possible trajectories that the droplets end at the grid node. Finally， the collection efficiency on the center of the surface control element could be presented with the tube define model. In this paper， some representative cases valuated the improved method. The testing report showed that the calculation results using the proposed method are consistent with the experimental data and are better than the interpolation results by the traditional algorithm.

Key words: aircraft icing, collection efficiency, Lagrangian method, directional neighborhood, gradient descent method

中图分类号:

V211.3

任靖豪, 王强, 李维浩, 刘宇, 易贤. 基于梯度下降的水滴收集率计算方法[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126381.

Jinghao REN, Qiang WANG, Weihao LI, Yu LIU, Xian YI. A prediction algorithm of collection efficiency based on gradient descent method[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(4): 126381.

图/表 19

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参考文献 22

1	TONG X， LUKE E A. Robust and accurate Eulerian multiphase simulations of icing collection efficiency using singularity diffusion model［J］. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics， 2010， 4（4）： 483-495.
2	易贤，王开春，桂业伟，等. 结冰面水滴收集率欧拉计算方法研究及应用［J］. 空气动力学学报， 2010， 28（5）： 596-601， 608.
	YI X， WANG K C， GUI Y W， et al. Study on Eulerian method for icing collection efficiency computation and its application［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2010， 28（5）： 596-601， 608 （in Chinese）.
3	ALIAGA C N， AUBÉ M S， BARUZZI G S， et al. FENSAP-ICE-unsteady： Unified in-flight icing simulation methodology for aircraft， rotorcraft， and jet engines［J］. Journal of Aircraft， 2011， 48（1）： 119-126.
4	CAO Y H， TAN W Y， WU Z L. Aircraft icing： An ongoing threat to aviation safety［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 75： 353-385.
5	张辰，孔维梁，刘洪. 大粒径过冷水滴结冰模拟破碎模型研究［J］. 空气动力学学报， 2013， 31（2）： 144-150.
	ZHANG C， KONG W L， LIU H. An investigation on the breakup model for icing simulation of supercooled large droplets［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2013， 31（2）： 144-150 （in Chinese）.
6	WRIGHT W. Validation results for LEWICE 3.0［C］∥43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2005.
7	SAEED F， BRETTE C， FREGEAU M， et al. A three-dimensional water droplet trajectory and impingement analysis program［C］∥23rd AIAA Applied Aerodynamics Conference. Reston： AIAA， 2005.
8	HEDDE T， GUFFOND D. Improvement of the ONERA3-D icing code， comparison with 3D experimental shapes： AIAA-1993-169［R］.Reston： AIAA， 1993.
9	LEE S， LOTH E. Simulation of icing on a cascade of stator blades［J］. Journal of Propulsion and Power， 2008， 24（6）： 1309-1316.
10	QIN C， LOTH E. Numerical study of droplet trajectory and collection efficiency in IRT with large blockage effects： AIAA-2017-4376 ［R］. Reston： AIAA， 2017.
11	RENDALL T C S， ALLEN C B. Finite-volume droplet trajectories for icing simulation［J］. International Journal of Multiphase Flow， 2014， 58： 185-194.
12	WIDHALM M， RONZHEIMER A， MEYER J. Lagrangian particle tracking on large unstructured three-dimensional meshes［C］∥46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2008.
13	XIE L， LI P Z， CHEN H， et al. Robust and efficient prediction of the collection efficiency in icing accretion simulation for 3D complex geometries using the Lagrangian approach I： An adaptive interpolation method based on the restricted radial basis functions［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2020， 150： 119290.
14	任靖豪，易贤，王强，等. 复杂构型水滴收集率的拉格朗日计算方法［J］. 航空动力学报， 2020， 35（12）： 2553-2561.
	REN J H， YI X， WANG Q， et al. Lagrangian simulation method of droplet collection efficiency for complex configuration［J］. Journal of Aerospace Power， 2020， 35（12）： 2553-2561 （in Chinese）.
15	RUDER S. An overview of gradient descent optimization algorithms［DB/OL］. 2016： arXiv： .
16	赵钟，张来平，何磊，等. 适用于任意网格的大规模并行CFD计算框架PHengLEI［J］. 计算机学报， 2019， 42（11）： 2368-2383.
	ZHAO Z， ZHANG L P， HE L， et al. PHengLEI： A large scale parallel CFD framework for arbitrary grids［J］. Chinese Journal of Computers， 2019， 42（11）： 2368-2383 （in Chinese）.
17	孙志国，朱春玲. 三维机翼表面水滴撞击特性计算［J］. 计算物理， 2011， 28（5）： 677-685.
	SUN Z G， ZHU C L. Calculation of water-droplet impingement on wing surface［J］. Chinese Journal of Computational Physics， 2011， 28（5）： 677-685 （in Chinese）.
18	刘深深，桂业伟，唐伟，等. 一种多场耦合数据传递新方法［J］. 宇航学报， 2016， 37（1）： 61-67.
	LIU S S， GUI Y W， TANG W， et al. A new data transfer method in fluid-thermal-structure coupling problems［J］. Journal of Astronautics， 2016， 37（1）： 61-67 （in Chinese）.
19	BIDWELL C， STANLEY MOHLER Y R. Collection efficiency and ice accretion calculations for a sphere， a swept MS（1）-317 wing， a swept NACA-0012 wing tip， an axisymmetric inlet， and a Boeing 737-300 inlet［C］∥33rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 1995.
20	PAPADAKIS M， HUNG K， YEONG H W， et al. Experimental investigation of water impingement on single and multi-element airfoils［C］∥38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2000.
21	SANG W M， SHI Y， XI C. Numerical simulation of icing effect and ice accretion on three-dimensional configurations［J］. Science China Technological Sciences， 2013， 56（9）： 2278-2288.
22	PENA D， HOARAU Y， LAURENDEAU E. A single step ice accretion model using level-set method［J］. Journal of Fluids and Structures， 2016， 65： 278-294.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	熊华杰, 安怡竞, 吴主龙, 周志宏. 欧拉壁膜模型在结冰模拟中的扩展[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729287-729287.
[2]	杨映麟, 常士楠, 石奇玉, 齐海峰. 气流剪切作用下的水膜实验[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729290-729290.
[3]	石达志, 桑为民, 李世杰, 安博. 基于LBM的结冰表面水滴撞击特性数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729192-729192.
[4]	何磊, 钱炜祺, 董康生, 易贤, 柴聪聪. 基于卷积神经网络的结冰翼型气动特性建模[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126434-126434.
[5]	束珺, 徐东光, 韩志熔, 李斯, 黄雄. 结冰风洞过冷大水滴试验中混合翼设计[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 627182-627182.
[6]	牛俊杰, 桑为民, 李栋, 郝莲, 王泽林. 一种基于水滴收集量代理模型的结冰试飞空域确定方法[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 627697-627697.
[7]	李浩然, 段玉宇, 张宇飞, 陈海昕. 结冰模拟软件AERO-ICE中的关键数值方法[J]. 航空学报, 2021, 42(S1): 726371-726371.
[8]	郭向东, 柳庆林, 刘森云, 王梓旭, 李明. 结冰风洞中过冷大水滴云雾演化特性数值研究[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 123655-123655.
[9]	郭向东, 张平涛, 赵照, 赖庆仁, 郭龙. 大型结冰风洞云雾场适航应用符合性验证[J]. 航空学报, 2020, 41(10): 123879-123879.
[10]	魏扬, 徐浩军, 薛源, 郑无计, 李哲, 裴彬彬. 基于神经网络自适应动态逆的结冰飞机飞行安全边界保护方法[J]. 航空学报, 2019, 40(5): 122488-122488.
[11]	雷梦龙, 常士楠, 杨波. 基于Myers模型的三维结冰数值仿真[J]. 航空学报, 2018, 39(9): 121952-121962.
[12]	郭向东, 王梓旭, 李明, 刘蓓. 结冰风洞中液滴相变效应数值模拟[J]. 航空学报, 2018, 39(3): 121586-121586.
[13]	丁娣, 车竞, 钱炜祺, 汪清. 基于H_∞算法的飞机机翼结冰气动参数辨识[J]. 航空学报, 2018, 39(3): 121626-121626.
[14]	李维浩, 易贤, 李伟斌, 王应宇. 过冷大水滴变形与破碎的影响因素[J]. 航空学报, 2018, 39(12): 122243-122243.
[15]	裴彬彬, 徐浩军, 薛源, 李哲, 刘东亮. 基于复杂动力学仿真的结冰情形下飞行安全窗构建方法[J]. 航空学报, 2017, 38(2): 520695-520708.

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