一种基于水滴收集量代理模型的结冰试飞空域确定方法

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27697

结冰和防冰研究专栏

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一种基于水滴收集量代理模型的结冰试飞空域确定方法

牛俊杰¹, 桑为民¹^,²(), 李栋¹, 郝莲³, 王泽林⁴

^1.西北工业大学航空学院，西安 710072
^2.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
^3.中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210
^4.中国飞行试验研究院，西安 710089

收稿日期:2022-06-29 修回日期:2022-07-27 接受日期:2022-08-16 出版日期:2023-01-15 发布日期:2022-08-31
通讯作者: 桑为民 E-mail:aeroicing@sina.cn
基金资助:
结冰与防除冰重点实验室开放课题(IADL20200101);国家重大项目(GJXM92579);国家科技专项

Icing test flight area determination method based on surrogated model of water droplet collection

Junjie NIU¹, Weimin SANG¹^,²(), Dong LI¹, Lian HAO³, Zelin WANG⁴

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^3.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Commercial Aircraft Corporation of China Ltd，Shanghai 201210，China
^4.Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China

Received:2022-06-29 Revised:2022-07-27 Accepted:2022-08-16 Online:2023-01-15 Published:2022-08-31
Contact: Weimin SANG E-mail:aeroicing@sina.cn
Supported by:
Open Fund of Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing of China(IADL20200101);National Key Project of China(GJXM92579);National Science and Technology Project

摘要/Abstract

摘要：

针对自然结冰试飞空域确定时使用的结冰指数只能给出结冰概率和结冰等级的问题，提出一种新的方法。通过对美国联邦航空条例（FAR）25部附录C连续最大结冰条件采样，对采样点进行空气流场和水滴撞击特性求解，获得不同工况的水滴收集量；基于POD （Proper Orthogonal Decomposition）和Kriging构建水滴收集量代理模型；使用WRF（Weather Research and Forecasting）对目标区域进行气象模拟，获得温度以及液态水含量分布；使用代理模型对目标区域内水滴收集量进行预测，以中度结冰强度对目标区域进行划分；最后，针对2种飞行速度对试飞空域的影响进行研究。结果表明：代理模型能够很好地预测温度、液态水含量、水滴中值体积直径、高度以及速度对水滴收集量的影响；WRF获得的目标区域的温度、液态水含量与观测值符合良好；基于代理模型可快速获得目标区域水滴收集量分布及随时间的变化，还可获得适合自然结冰试飞的目标区域及结冰速度；飞行速度的增加使得水滴收集量增加，进而引起试飞空域的变化。本文对结冰试飞空域确定具有一定参考意义。

关键词: 结冰试飞, 水滴收集量, 代理模型, 气象预测, 飞机结冰, Weather Research and Forecasting（WRF）

Abstract:

In response to the problem that the icing index used in natural icing test flight area determination can only provide the icing probability and icing level， a new method is proposed. By sampling the continuous maximum icing conditions in Appendix C of Federal Aviation Regulations （FAR） Part 25， the air flow field and water droplet impingement characteristics were solved to obtain the water droplet collection amount for the sampling points. The surrogated model of the water droplet collection amount was constructed based on Proper Orthogonal Decomposition （POD） and Kriging. The weather simulation of the target area was performed using WRF （Weather Research and Forecasting） to obtain the temperature and the liquid water content. The water droplet collection amount over the target area was predicted with the surrogated model and the target area was divided by the moderate icing intensity. The results show that： the surrogated model can predict the effects of temperature， liquid water content， median volume diameter， height and flight speed on water droplet collection amount correctly； the temperature and the liquid water content of the target area obtained by WRF are in good agreement with the observed values； the surrogated model can quickly obtain the distribution of the water droplet collection amount over the target area and its variation with time； the suitable natural icing test flight area and the icing rate are determined. The growth of the flight speed makes the water droplet collection amount increase and causes the variation of the icing test flight area. This paper has some reference significance for the determination of the icing test flights area.

Key words: icing test flight, water droplet collection amount, surrogate model, weather forecasting, aircraft icing, Werther Research and Forecasting (WRF)

中图分类号:

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.

Junjie NIU, Weimin SANG, Dong LI, Lian HAO, Zelin WANG. Icing test flight area determination method based on surrogated model of water droplet collection[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(1): 627697-627697.

图/表 30

图 1

图 2

表 1

图 3

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表 5

图 20

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图 22

表 6

图 23

图 24

参考文献 31

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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

参数	参数来源	MAE	RMSE	MAPE
T	文献［31］结果	2.87 K	2.96	1.1%
T	本文结果	1.45 K	1.74	0.5%
LWC	文献［31］结果	0.08 g/m³	0.12	28.7%
LWC	本文结果	0.07 g/m³	0.11	25.6%

算例	MVD/μm	LWC/ （g·m^-³）	T/K	H/m	V/ （m·s^-1）	攻角/ （°）
Case 1	15.0	0.445 5	258	4 629	87.2	4
Case 2	20.8	0.239 8	255	2 643	75.7	4
Case 3	27.1	0.265 8	263	126	53.9	4
Case 4	33.6	0.243 5	269	3 934	94.9	4
Case 5	40.0	0.100 0	263	2 699	67.9	4

序号	温度/K	高度/m	MVD/μm	LWC/ （g·m^-³）	V/ （m·s^-1）
Case 01	258.00	3 000	15	0.445 5	50
Case 02	268.00	1 200	15	0.697 0	55
Case 03	243.15	6 700	15	0.200 0	60
Case 04	268.15	1 200	25	0.402 7	65
Case 05	258.00	3 000	25	0.227 7	70
Case 06	243.15	6 700	25	0.099 5	75
Case 07	268.00	1 200	35	0.206 7	80
Case 08	258.00	3 000	35	0.117 3	85
Case 09	243.15	6 700	35	0.049 8	90

结冰等级	单位时间结冰厚度/ （mm·min^-1）	水滴收集量/ （kg·s^-1·m^-2）
微量结冰	<0.6	<0.009 2
轻度结冰	0.6~1.1	0.009 2~0.016 8
中度结冰	1.1~2.0	0.016 8~0.030 6
严重结冰	>2.0	>0.030 6

高度层eta	经度/（°）	纬度/（°）	平均高度/m	平均结冰强度/ （mm·min^-1）
5	-70.822 0	44.196 4	1 671	1.26
	-70.240 6	44.548 4
	-70.189 8	44.503 7
	-70.757 3	44.146 0
6	-70.524 6	44.402 0	2 042	1.25
	-70.125 3	44.659 6
	-69.969 3	44.523 2
	-70.382 5	44.275 7
7	-70.130 8	44.623 8	2 414	1.23
	-69.958 0	44.739 2
	-69.872 0	44.667 7
	-70.044 0	44.574 2

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Icing test flight area determination method based on surrogated model of water droplet collection

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