基于LBM的结冰表面水滴撞击特性数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29192

结冰与防除冰

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基于LBM的结冰表面水滴撞击特性数值模拟

石达志, 桑为民(), 李世杰, 安博

西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2023-06-19 修回日期:2023-07-16 接受日期:2023-08-07 出版日期:2023-12-20 发布日期:2023-08-24
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);航空科学基金(2018ZA53014);国家重大项目(GJXM92579)

Numerical simulation of water droplet impact characteristics on icing surfaces based on LBM

Dazhi SHI, Weimin SANG(), Shijie LI, Bo AN

School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2023-06-19 Revised:2023-07-16 Accepted:2023-08-07 Online:2023-12-20 Published:2023-08-24
Contact: Weimin SANG E-mail:aeroicing@sina.cn
Supported by:
Open Fund of Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing of China(IADL20200101);Aeronautic Science Foundation of China(2018ZA53014);National Key Project of China(GJXM92579)

摘要/Abstract

摘要：

在飞机结冰场景下，考虑复杂几何的水滴撞击特性的求解，提出了基于格子玻尔兹曼方法（LBM）的水滴撞击特性求解方法。首先，从动理学理论的多组分格子玻尔兹曼模型出发，通过几个合理的假设，提出了以单相多组分的方式求解空气、水滴的混合流场，把气相水即等效水滴的运动特性近似为水滴的运动特性；然后，考虑空气、等效水滴流场的物理特性与假设，建立流场计算模型；最后，基于计算模型，分别计算圆柱和NACA0012的混合绕流流场，求解水滴撞击特性及其水滴收集系数分布，与文献数据对比良好。研究结果表明：提出的计算方法及计算模型可以有效模拟等效水滴在结冰表面的水滴撞击和收集特性，初步验证了模型的可行性。

关键词: 水滴撞击特性, 笛卡尔网格, 格子玻尔兹曼方法, 多组分, 飞机结冰

Abstract:

In the aircraft icing scenario， a method for solving the water droplet impact characteristics considering the complex geometry is proposed， utilizing the Lattice Boltzmann Method （LBM） method. Firstly， starting from the multi-component lattice Boltzmann model of kinetic theory， the mixed flow field of air and water droplets is proposed to be solved in a single-phase multi-component manner by approximating the motion characteristics of gas-phase water， i.e.， equivalent water droplets， to those of water droplets through several reasonable assumptions. And then， considering the physical properties and assumptions of air and equivalent water droplet flow fields， a flow field calculation model is established. Finally， based on the calculation model， the mixed bypass flow fields of a cylinder and NACA0012 are calculated independently， and the water droplet impact characteristics and their droplet collection coefficient distributions are solved， showing good agreement when compared with data from literature. The results show that the proposed calculation method and computational model can effectively simulate the droplet impact and collection characteristics of equivalent water droplets on the icing surface， and the feasibility of the model is initially verified.

Key words: water droplet impact characteristics, Cartesian grid, lattice Boltzmann method, multi-component, aircraft icing

中图分类号:

V211.3

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.

Dazhi SHI, Weimin SANG, Shijie LI, Bo AN. Numerical simulation of water droplet impact characteristics on icing surfaces based on LBM[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729192-729192.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 6

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表 1

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图 10

图 9

图 11

图 12

图 13

图 14

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参考文献 32

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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	数值
参数	圆柱	NACA0012-1	NACA0012-2
速度/（m∙s^-1）	31	67.05	67.05
迎角/（°）	0	4	0
液态水含量/（g∙m^-3）	1	1	1
水滴中值体积直径/μm	20	20	12

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