基于卷积神经网络的气动热预测方法

严重的气动加热现象会威胁飞行器的飞行安全,因此在飞行器设计期间需要对其气动热环境进行预测以辅助热防护设计,气动热的预测速度直接影响了飞行器的设计效率。为了探索气动热的快速预测方法以缩短高超声速飞行器的设计周期,本文基于卷积神经网络建立了数据驱动的气动热预测模型。首先,为了实现不同外形飞行器的表面热流预测,提出了一种能够用于卷积神经网络的三维外形几何表达方法。然后,基于该方法分别采用编码器-解码器架构和U-Net架构建立了两种神经网络模型,实现了气动热的快速预测。最后,选取钝锥、钝双锥、升力体和双椭球4类高超声速飞行器典型外形作为研究对象,采用CFD数值模拟方法构建了气动热数据集,在不同的气动热数据集上对建立的模型进行了训练和测试。计算验证结果表明,两种模型针对简单外形预测精度良好,但当外形变复杂时,U-Net模型对外形的感知能力更强,具有更高的预测精度。与其他数据驱动的方法相比,U-Net模型具有更强的学习能力,能够在较少的训练样本下达到相对较高的预测精度。另一方面,由于该方法采用了大量卷积神经网络结构,因此具有更高的建模效率。

特定湍动激励-响应类型二次非线性系统双谱分析仿真建模

自然界存在一类特定湍动激励类型二次非线性系统,属于一种特殊的非高斯信号系统,其特征是输入信号谱由湍流波动产生,而且这种湍流波动信号功率谱分布接近高斯分布.本文从拓展Choi等(1985 J.Sound Vib.99309]和Kim等(1987 IEEE J.Ocean.Eng.OE-12568)的工作入手,对以海浪激励-系泊船舶响应和充分发展湍流为代表的特定湍动激励-响应类二次非线性系统,基于双谱分析技术进行系统仿真,并对仿真系统进行了扩展的、系统的建模分析,并首次应用完备迭代法(2020 Phys.Scr.95055202)进行模型求解,计算了线性传递函数与二次非线性传递函数.所得结果均符合预期.相干分析表明,随机海浪-船舶摇动系统二次相干性远大于线性相干性,但近高斯输入型充分发展湍流的线性相干性更大.反算验证或与真实系统的对比表明,本文的湍流仿真手段与系统建模方法准确性好,求解算法效率高,可以有效应用于与湍动激励相关的二次非线性系统的模型描述与系统分析.

面向高超声速飞行器的激波智能预测方法

高超声速飞行器激波位置的准确预测能够有效提升数值模拟的精度和效率。一方面,对高超声速飞行器激波附近网格进行正交和加密处理,可有效提升数值计算精度;另一方面,使用高超声速飞行器激波位置对计算网格进行修正,能够加速CFD计算收敛过程。提出了一种基于机器学习的高超声速飞行器激波智能预测方法,对典型高超声速飞行器外形进行激波位置的高效准确预测。首先,针对典型高超声速飞行器外形和典型飞行状态,使用数值模拟方法获得收敛的流场,并采用基于Mach数等值线的激波提取方法,从流场中判别激波面并提取构成激波面的关键点位置,形成训练数据;然后采用有监督学习算法,学习关键点位置,并利用二次曲线沿流向拟合关键点形成初步的激波线族;最后,基于剖面压力云图,构造基于投影压力图像的智能预测神经网络,对初步形成的激波线族进行修正,并获得三维激波面。大量的实验结果表明,激波预测模型能够对高超声速飞行器激波位置做出准确预测,预测的激波面与CFD数值计算结果中提取的激波面误差在10-4量级。

双重加权实质无波动激波捕捉格式

本文构造了一种新的加权激波捕捉格式,命名为双重加权实质无波动(DoubleWeightedEssentiallyNon-Oscillatory,简称DWENO)格式。DWENO格式不需要引进最优权值,并且可以递推地达到任意高阶精度。文中给出了典型算例的计算结果,这些结果表明DWENO格式具有高于WENO格式的间断分辨率。

双重加权实质无波动激波捕捉格式的改进和应用

本文重新研究了双重加权实质无波动(DWENO)激波捕捉格式的构造过程,对模板光滑系数的定义,以及两重权值的计算方法进行了改进,并通过一维Riemann问题测试了这些改进,确定了参数的选择范围。最后,本文将改进后的DWENO(r=3)格式进一步应用于一维、二维典型问题的数值模拟,并比较了DWENO格式和WENO格式的精度和分辨率。

计算流体力学中的验证与确认

计算流体力学(CFD)在航空航天等诸多领域的应用越来越广泛．特别是近年来,CFD在实际飞行器的设计中扮演着越来越重要的角色,许多设计参数直接来源于CFD的计算结果．由此,飞行器设计师对CFD提供结果的可信度提出了更高的要求．验证(verification)与确认(validation)是评价数值解精度和可信度的主要手段．本文综述了国内外开展CFD验证与确认研究的进展．在引言中论述了开展CFD验证与确认的重要性和必要性,简述了国内外CFD验证与确认研究的历史和发展现状．第2节中讨论了CFD验证与确认的一些基本概念,以及这些概念定义的形成过程,并指出了进行CFD验证与确认的基本步骤．第3节和第4节分别讨论了CFD验证与确认的方法,如CFD验证中的精确解比较方法,制造解比较方法,网格收敛性研究;CFD确认中的层次结构,流动分类法,确认实验指南．在第5节中我们列举了几个CFD验证与确认的应用实例．最后,对我国开展CFD验证与确认研究工作提出了若干建议,包括:(1)开展流动分类法研究,(2)推行软件质量工程方法,(3)开展规范精细的实验,建立国内的网络数据库．

网格与高精度差分计算问题

研究NS方程差分求解时来流雷诺数、计算格式精度和计算网格之间的关系．给出了判定空间三个方向上的粘性贡献在给定雷诺数、格式精度和网格下是否能够正确计入的估计方法．指出在NS方程的二阶差分方法的数值模拟中，由于物面法向采用了压缩网格技术，物面附近的网格间距很小，该方向上的粘性贡献可被计入．但是如果流向和周向的网格较粗，相应的差分方程中的粘性贡献可能落入截断误差相同的量级，因此在精度上等于仍是求解略去流向和周向粘性项的薄层近似方程．指出，高阶精度的差分计算格式，可以避免对网格要求苛刻的困难．并进一步讨论了建立高阶精度格式的问题，提出了建立高阶精度格式应该满足的原则：耗散控制原则以及色散控制原则．为了避免激波附近可能出现的微小非物理振荡，建议发展混合高阶精度格式，即在激波区，采用网格自适应的NND格式，在激波以外的区域，采用按上述原则发展的高阶格式．

高阶精度非线性格式WCNS-E-5在二维流动中的应用研究

本文采用具有5阶精度的加权紧致非线性显式格式(WCNS E 5)对定常与非定常二维流动进行数值模拟,研究表明该格式对各类间断有很好的分辨捕捉能力,而且对强间断如激波的计算,即使在高马赫数与高雷诺数条件下它仍具有很好的收敛性与可靠的计算结果。此外,WCNS E 5在粗网格条件下也体现出优越性。类如WCNS E 5的高精度激波捕捉方法将为以后开展湍流数值模拟工作提供坚实的技术保证。

高精度格式WCNS-E-5计算物面热流

采用加权紧致非线性格式WCNS_E_5,四阶精度的二阶导数差分近似以及四阶精度的边界格式构造了高精度算法,对高超声速粘性流动的物面热流进行数值研究.首先考察了壁面网格雷诺数对驻点热流的影响,然后开展了边界格式对热流计算结果影响的研究,最后对大攻角钝锥绕流进行了数值模拟.研究结果表明:WCNS_E_5能降低边界层内网格分辨率,全场高精度的WCNS_E_5计算得到的流场图像清晰、真实、分辨率高,热流值准确、可靠.

钝锥高超声速绕流空间分离形态的数值模拟及拓扑分析

本文通过数值模拟和理论分析 ,系统研究了钝锥高超声速有迎角绕流时垂直于物面的截面流态沿轴向的演变过程。得出了高超声速情况下 ,背风分离区内的流态在大多数情况下貌似对称 ,其实是非对称的这一重要结论。考察了周向网格疏密程度对流动结构分辩率的影响 ,发现对分离流动的数值模拟 ,必须在分离区内布置足够密的网格才能给出正确的结果。

高超声速飞行器前缘缝隙流动数值模拟研究

通过分析高超声速飞行器前缘防热瓦结构,建立了一种开缝前缘的简化模型。针对这一模型的流场通过求解三维可压缩Navier-Stokes方程进行了数值模拟。研究了缝隙诱导形成的三维旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。模型圆弧段缝隙肩部倒圆区因存在较强的三维效应形成"常规"高热流区,而缝隙内主旋涡再附致使侧壁上存在一个"非常规"高热流区;模型平直段展向流动诱导缝隙上方出现较强的旋涡运动,同时流动在缝隙倒圆区形成分离涡并于缝隙侧壁面再附,受这些旋涡运动的影响,缝隙肩部倒圆区转变为局部热流低值区,缝隙侧壁上存在局部热流高值区。

水倾倒入燃烧油过程的数值模拟研究

水倾倒入燃烧油会引发剧烈反应,整个过程极其复杂,实验方法难以捕捉其中细节。本文采用数值模拟方法重现了这一过程,对这一极具危险性的现象进行了深入分析,详细讨论了水倒入燃烧油池后引发的物理化学过程,建立了复杂过程的简化数学模型,并采用开源FDS火灾模拟软件进行了数值测试,验证了该模型的可行性。数值算例测试表明,喷溅油滴蒸发产生的油蒸汽,在热气流的带动下,快速弥漫于广大空间,因此油蒸汽在极短的时间内就可以被携带至远大于喷溅油滴所能到达的位置,造成火焰规模的急剧扩大,与此同时,爆发火焰的辐射热通量则急剧增长,会产生破坏性效果。