雾凇的“美”与“危” ｜ SIMULIA PowerFLOW机翼积冰仿真
雾凇由过冷水滴凝结而成，附着于物体迎风面，呈白色或乳白色不透明冰层，是一种特定环境下的自然现象。当空气中的水蒸气碰到物体，并立刻凝华成固态时，便会形成雾凇层或雾凇沉积物。雾凇是一种常见的飞机积冰类型，当飞机积冰时，飞机的流线型会收到破坏，随之产生的是气动性能的变差。因此，积冰对飞行危害非常大。
SIMULIA PowerFLOW 从2021版本开始，引入了预测瞬态雾凇形成的能力。采用拉格朗日方法计算水滴在流场中的运动，以及它们对物体表面的撞击。水滴撞击后会立即冻结，形成雾凇冰。积冰是一个长周期过程，可通过PowerFLOW的全自动多层方法进行计算（如图1）。将总的积冰时间均分为若干个时间段，每个时间段的持续时长为textrusion. 设置每个时间段内粒子释放的时间tflow，用于模拟液滴碰撞翼型表面的过程。定义扩展因子k = textrusion/ tflow , 用于预测积冰层在真实的textrusion 时长后的厚度，这样可以大幅降低仿真的总体耗时。并通过自动化流程，将当前时间段的冰层几何导出并导入下一时间段的仿真，作为计算的初始几何条件。经过多次仿真迭代后，最终获得给定积冰时间内，冰层的几何形状。
图1：多层方法示意
PowerFLOW 提供的这种雾凇预测方法，其仿真准确性也得到了物理试验的验证。这里给出了NACA0012翼型（如图2）及CRM 翼型（如图3）在给定马赫数，给定雷诺数及翼型攻角下的试验结果与仿真结果。
图2：NACA0012 翼型雾凇冰截面仿真与试验结果对比
图3：CRM翼型雾凇截面仿真与试验结果对比
雾凇在陆地上带来的是大自然的鬼斧神工和奇观美景，但当这种美丽处于万米高空，就会化为“迷人的危险”，给飞机的安全与性能带来极大隐患。在达索系统SIMULIA PowerFLOW的帮助下，我们可以准确的预测雾凇的形成过程及其造成的气动性能恶化，进一步研究并改善积冰造成的不良影响，通过技术助力，化解“美丽”危机。
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