为解决无人机在复杂气象条件下易受结冰影响而威胁其飞行安全的问题,提出了一种考虑结冰风险的无人机航迹规划方法。首先,构建基于中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式的结冰气象预测模型,通过最佳参数化方案组合的结冰气...为解决无人机在复杂气象条件下易受结冰影响而威胁其飞行安全的问题,提出了一种考虑结冰风险的无人机航迹规划方法。首先,构建基于中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式的结冰气象预测模型,通过最佳参数化方案组合的结冰气象模拟获得模拟时段内海南乐东地区的温度、压力、液态水含量(LWC)空间分布及时序变化。其次,构建基于代理模型的水滴收集质量快速预测方法。在获取美国联邦航空条例(FAR)25部附录C中连续最大结冰条件下40个采样点处水滴收集质量分布的基础上,利用本征正交分解(POD)降阶模型和Kriging插值算法,建立温度、压力、LWC、平均有效水滴直径(MVD)等结冰气象参数与水滴收集质量之间的代理模型,可快速预测出目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化。最后,根据飞机结冰强度划分等级,以不同结冰强度下水滴收集质量阈值为结冰安全约束,利用基于粒子群优化(PSO)的结冰容限航迹规划方法进行考虑结冰风险的无人机飞行策略研究。研究结果表明:利用WRF模式可获得温度、压力、LWC等结冰气象参数,预测值与观测值匹配良好;基于POD降阶模型和Kriging插值算法,构建的气象参数与水滴收集质量间代理模型可快速准确地获取目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化;基于PSO的结冰容限航迹规划方法可在不同结冰安全约束条件下,规划出无人机最优航迹。展开更多
为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰...为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰和侵蚀全物理过程的混合相结冰数值计算方法。分析了冰晶质量浓度(ice water content,IWC)、液态水质量浓度(liquid water content,LWC)以及冰晶黏附和侵蚀效应对结冰形态和结冰厚度的影响规律,对比了NTI和NRC两种冰晶黏附模型的适用条件。研究结果表明:当总水含量(total water content,TWC)一定时,随着冰水含量比IWC与LWC之比的增加,结冰覆盖面积逐渐减小,最大结冰厚度先增大后减小,冰形由冠状逐渐变为尖角状,当IWC与LWC分别为0.4 g·m^(-3)和1.0 g·m^(-3)时,驻点处的结冰厚度达到最大值;对于高IWC工况,NRC黏附模型的驻点结冰厚度更接近实验结果,误差为7.2%;对于低IWC工况,NTI模型与NRC模型的驻点结冰厚度接近;侵蚀作用主要影响翼型驻点附近的区域,IWC或LWC的增大均会加剧侵蚀效应。研究可为飞行器高效防除冰系统的设计提供理论依据。展开更多
文摘为解决无人机在复杂气象条件下易受结冰影响而威胁其飞行安全的问题,提出了一种考虑结冰风险的无人机航迹规划方法。首先,构建基于中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式的结冰气象预测模型,通过最佳参数化方案组合的结冰气象模拟获得模拟时段内海南乐东地区的温度、压力、液态水含量(LWC)空间分布及时序变化。其次,构建基于代理模型的水滴收集质量快速预测方法。在获取美国联邦航空条例(FAR)25部附录C中连续最大结冰条件下40个采样点处水滴收集质量分布的基础上,利用本征正交分解(POD)降阶模型和Kriging插值算法,建立温度、压力、LWC、平均有效水滴直径(MVD)等结冰气象参数与水滴收集质量之间的代理模型,可快速预测出目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化。最后,根据飞机结冰强度划分等级,以不同结冰强度下水滴收集质量阈值为结冰安全约束,利用基于粒子群优化(PSO)的结冰容限航迹规划方法进行考虑结冰风险的无人机飞行策略研究。研究结果表明:利用WRF模式可获得温度、压力、LWC等结冰气象参数,预测值与观测值匹配良好;基于POD降阶模型和Kriging插值算法,构建的气象参数与水滴收集质量间代理模型可快速准确地获取目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化;基于PSO的结冰容限航迹规划方法可在不同结冰安全约束条件下,规划出无人机最优航迹。
文摘为探究冰晶与过冷水滴共存时的混合相结冰特性,基于FENSAP-ICE结冰计算平台,以NACA0012翼型为研究对象,采用阻力系数对非球形冰晶的运动过程进行修正,考虑了冰晶黏附效应和侵蚀效应的影响,建立了欧拉框架下冰晶运动、碰撞、黏附、结冰和侵蚀全物理过程的混合相结冰数值计算方法。分析了冰晶质量浓度(ice water content,IWC)、液态水质量浓度(liquid water content,LWC)以及冰晶黏附和侵蚀效应对结冰形态和结冰厚度的影响规律,对比了NTI和NRC两种冰晶黏附模型的适用条件。研究结果表明:当总水含量(total water content,TWC)一定时,随着冰水含量比IWC与LWC之比的增加,结冰覆盖面积逐渐减小,最大结冰厚度先增大后减小,冰形由冠状逐渐变为尖角状,当IWC与LWC分别为0.4 g·m^(-3)和1.0 g·m^(-3)时,驻点处的结冰厚度达到最大值;对于高IWC工况,NRC黏附模型的驻点结冰厚度更接近实验结果,误差为7.2%;对于低IWC工况,NTI模型与NRC模型的驻点结冰厚度接近;侵蚀作用主要影响翼型驻点附近的区域,IWC或LWC的增大均会加剧侵蚀效应。研究可为飞行器高效防除冰系统的设计提供理论依据。
