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基于BP神经网络的冰形特征参数预测

柴聪聪 易贤 郭磊 王俊

柴聪聪, 易贤, 郭磊, 等. 基于BP神经网络的冰形特征参数预测[J]. 实验流体力学, 2021, 35(3): 16-21. doi: 10.11729/syltlx20200016
引用本文: 柴聪聪, 易贤, 郭磊, 等. 基于BP神经网络的冰形特征参数预测[J]. 实验流体力学, 2021, 35(3): 16-21. doi: 10.11729/syltlx20200016
CHAI Congcong, YI Xian, GUO Lei, et al. Prediction of ice shape characteristic parameters based on BP nerual network[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(3): 16-21. doi: 10.11729/syltlx20200016
Citation: CHAI Congcong, YI Xian, GUO Lei, et al. Prediction of ice shape characteristic parameters based on BP nerual network[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(3): 16-21. doi: 10.11729/syltlx20200016

基于BP神经网络的冰形特征参数预测

doi: 10.11729/syltlx20200016
基金项目: 

国家自然科学基金 11472296

详细信息
    作者简介:

    柴聪聪(1997-), 女, 河南新乡人, 硕士。研究方向: 结冰预测、深度学习。通信地址: 四川省成都市高新区西源大道2006号(611731)。E-mail: 18224004883@163.com

    通讯作者:

    易贤, E-mail: yixian_2000@163.com

    郭磊, E-mail: leiguo@uestc.edu.cn

  • 中图分类号: V211.24

Prediction of ice shape characteristic parameters based on BP nerual network

  • 摘要: 机翼结冰影响了飞机飞行的气动特性,严重时将会引起事故,对冰形特征参数进行预测对翼型气动特性研究以及后续防除冰措施具有重要的意义。本文利用BP神经网络,建立翼型冰形特征参数预测模型,并采用k折交叉验证进行网络结构选择,以气象与飞行条件作为输入,结冰极限、冰角高度和角度等冰形特征参数作为输出。结果表明:预测的冰形特征参数(除下冰角高度外)与数值结果相对误差低于5%,证明该方法具有较好的预测效果。
  • 图  1  结冰几何特征描述[16]

    Figure  1.  Description of icing geometric properties[16]

    图  2  SAE规定的冰形特征参数示意图

    Figure  2.  Icing characteristic parameters provided by SAE

    图  3  霜冰的冰形特征参数

    Figure  3.  Icing characteristic parameters of glaze ice

    图  4  数值计算与实验冰形对比

    Figure  4.  Comparison between the numerical calculation method and the experiment

    图  5  单层BP神经网络模型

    Figure  5.  Single-layer BP network

    图  6  k折交叉验证

    Figure  6.  k-fold cross validation

    图  7  不同神经元模型的10折交叉验证平均测试误差

    Figure  7.  Average test error of 10 fold cross validation for different neuron models

    图  8  各算例的翼型结冰结果

    Figure  8.  Airfoil icing results of cases

    表  1  气象和飞行条件参数设置

    Table  1.   Meteorological and flight condition parameters setting

    参数 设置范围
    飞行速度v/(m·s-1) 70~150
    环境温度T/K 243~267
    液态水含量LWC/(g·m-3) 0.2~0.8
    平均水滴直径MVD/μm 20~60
    结冰时间t/s 360~1350
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    表  2  算例的气象和飞行条件参数

    Table  2.   Meteorological and flight parameters of cases

    算例 v/(m·s-1) T/K LWC/(g·m-3) MVD/μm t/s
    1 85 243 0.75 40 420
    2 90 243 0.75 20 300
    3 67 245 0.6 15 540
    4 77 258 0.8 30 600
    5 110 263 0.85 40 540
    6 77 260 0.6 30 540
    7 88 245 0.9 33 480
    8 92 255 0.6 25 480
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    表  3  冰形特征参数计算与预测结果

    Table  3.   Calculation and prediction results of ice shape characteristic parameters

    算例 Su/(m·c-1) Sl/(m·c-1) hu/(m·c-1) hl/(m·c-1) θu/(°) θl/(°)
    1 C 0.0490 -0.1444 0.0213 0.0207 183.5 225.0
    P 0.0489 -0.1472 0.0211 0.0220 186.8 225.5
    2 C 0.0278 -0.0623 0.0147 0.0143 209.3 231.6
    P 0.0269 -0.0631 0.0137 0.0120 212.8 229.3
    3 C 0.0212 -0.0366 0.0116 0.0111 212.9 237.0
    P 0.0228 -0.0349 0.0111 0.0118 215.0 230.4
    4 C 0.0381 -0.1022 0.0363 0.0245 177.0 267.7
    P 0.0357 -0.1021 0.0354 0.0317 176.5 265.4
    5 C 0.0522 -0.1624 0.0365 0.0160 127.3 288.5
    P 0.0481 -0.1760 0.0366 0.0178 129.0 284.1
    6 C 0.0358 -0.1022 0.0242 0.0179 183.3 270.4
    P 0.0368 -0.1002 0.0228 0.0251 185.6 270.9
    7 C 0.0432 -0.1184 0.0298 0.0280 202.1 236.6
    P 0.0401 -0.1251 0.0286 0.0353 194.8 226.8
    8 C 0.0261 -0.0572 0.0163 0.0151 208.0 230.6
    P 0.0255 -0.0557 0.0160 0.0167 206.5 232.0
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    表  4  冰形特征参数预测误差

    Table  4.   Prediction error of ice shape characteristic parameters

    算例 Su/(m·c-1) Sl/(m·c-1) hu/(m·c-1) hl/(m·c-1) θu/(°) θl/(°)
    APE/% 1 0.20 1.94 0.94 6.28 1.79 0.22
    2 3.23 1.28 6.80 16.08 1.67 0.99
    3 7.55 4.64 4.31 6.31 0.99 2.78
    4 6.30 0.10 2.48 29.39 0.29 0.87
    5 7.85 8.37 0.27 11.25 1.33 1.54
    6 2.79 1.96 5.79 40.22 1.23 0.19
    7 7.18 5.66 4.03 26.07 3.64 4.14
    8 2.30 2.62 1.84 10.60 0.72 0.61
    MAPE/% 4.68 3.32 3.31 18.28 1.46 1.42
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-12
  • 修回日期:  2020-04-18
  • 刊出日期:  2021-06-25

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    2021年8月13日