变分量子线性求解算法在高速飞行器定常绕流数值模拟中的应用

CFD方法在用于三维大规模复杂流动的空气动力学数值模拟时,面临着计算成本高、模拟时间长等瓶颈问题。近年来,量子计算为航空航天CFD领域带来了新的解决思路,通过利用量子比特的叠加态和纠缠特性,理论上相比于经典计算机能够实现对数级的存储缩减和指数级的效率加速,在处理大规模空气动力学模拟等任务上具有巨大的潜力。聚焦于量子计算技术在航空航天CFD领域的应用探索,针对高速定常流动问题,采用变分量子线性求解器(variational quantum linear solver,VQLS)辅助求解CFD时间离散环节得到的高维线性方程组,进而发展了可以在含噪声中等规模量子(noisy intermediate-scale quantum,NISQ)器件上实现的VQLS-CFD耦合方法。通过三维双椭球模型和探测器火星科学实验室模型的超声速数值模拟测试,验证了VQLS-CFD耦合方法可以实现大规模复杂流动的鲁棒及准确模拟,并产生与试验数据吻合度较高的计算结果,最终获得高可信度的气动预测结果。然而,介绍的量子计算流体力学(quantum computational fluid dynamics,QCFD)方法在计算效率方面尚未达到真正意义上的加速效果,这一现象的突破将依赖量子计算机硬件的持续发展与QCFD算法的不断优化与成熟。

高速复杂流动PIV技术研究实践与挑战

粒子图像测速技术目前已经发展成为实验流体力学领域应用最广泛的非接触激光测试方法之一,为认知复杂流动机理提供直观的流场信息。本文基于超声速流场PIV技术研究实践,针对示踪粒子布撒器设计、粒子松弛特性模型构建、激波流场测试分析、超声速平板湍流边界层结构分析等方面具体问题的研究和认识,从理论、定量化的角度深入分析了应用于超声速流场PIV技术现阶段依然存在的问题。从应用于超声速流场PIV技术的原理出发,针对高速复杂流场的PIV测试现状,总结了应用于超声速流场PIV技术发展过程中的光学部件、示踪粒子及布撒系统所遇到的一系列挑战,以及国内外利用PIV技术在高速复杂流场研究中所取得的成就,针对PIV技术能否适用于高超声速流场的测量做了系统化地探索。并根据实践经验提出了应用于超声速流场PIV技术未来的发展方向:通用的精确的PIV方法不存在,必须从具体研究的流动机理角度改造相应的PIV测试手段。

高速铁路加权复杂网络特性分析

根据2015年中国高速铁路列车运行时刻表,提取全路479个高速车站和2 487次列车作为研究对象,运用复杂网络理论构建高速铁路地理网、车流网以及服务网3个网络模型。对各网络的节点度、聚集系数和平均网络距离等静态指标以及本文提出的节点强度、平均时间网络距离等指标特性进行分析。研究结果表明:高速铁路地理网仍具有树状网络的特点;高速铁路车流网的度分布符合指数分布规律;高速铁路服务网节点强度与度之间存在显著的幂律关系,具有无标度和小世界网的网络特点。在此基础上,研究在不同攻击情况下的高速铁路地理网络的可靠性,为提高高速铁路网络稳定性提出建议。研究结果可为未来设计和优化高速铁路网络结构方面提供借鉴和参考。

高铁综合交通枢纽客流协同管控优化关键技术

针对高速铁路综合交通枢纽(简称:枢纽)客流协同管控方法主要关注单一场景、缺乏灵活性及适应性等问题,从常态和非常态两种情况出发,对我国枢纽客流协同管控方法的研究现状进行分析,并重点论述了枢纽客流协同管控优化的关键技术。阐述了常态情况下的复杂流线分析技术和动、静态信息实时匹配度量方法,以及非常态情况下的动态瓶颈点识别与预测方法和应急协同调度与决策方法。对我国枢纽的建设和发展具有参考作用。

基于网络特性的高速铁路关键车站识别方法

随着高速铁路蓬勃发展,其安全可靠性受到高度重视,关键车站的识别是提高路网可靠性的重要部分。在复杂网络和社会网络分析理论基础上,综合考虑车站在路网中的拓扑结构重要性和运输组织中车站间车流强度,建立高速铁路车流网模型,计算网络中节点强度、节点接近中心度以及中介中心度,并采用TOPSIS法确定综合评价指标,提出一种关键车站识别方法,以我国高速铁路网络为实例验证该方法的可靠性。实例验证不仅识别出省会车站,而且选出了规模不大但处于关键位置影响全网运输服务能力的车站。研究结果可为高速铁路日常维护和故障恢复提供参考。

高铁流视角下的环渤海地区城市网络联系

在区域协调发展大背景下,高铁流作为构建区域均衡发展、区域高质量发展和城市群一体化体系的重要载体,其主导的区域联系特征逐渐成为研究的热点和前沿。基于2010年、2015年和2020年3个时间断面的高铁频次数据,从网络密度、网络中心性、网络效率等角度,探究环渤海地区城市网络演变特征。结果表明:(1)环渤海地区城市联系深度和广度迅速提升,2020年联系量较2010年约增长了6倍,网络集聚性呈先集中后扩散态势;城市群尺度网络规模从大到小依次为京津冀、山东半岛和辽中南城市群,网络均衡性和集聚性特征存在时空差异。(2)环渤海地区城市网络通达性提高,节点城市控制和可达能力增强;城市群尺度节点功能在空间上表现为沿“廊道”向两侧递减分布格局,由轴线联系向面状扩散转变。(3)网络效率依托高铁流的扩散效应和联系紧密程度的提升。环渤海地区,网络效率呈波动上升趋势,网络层级性趋于扁平,传输性和网络连通效率尚待提高。城市群层面,辽中南城市群在网络层级性上趋于扁平,网络效率降低但处于较高水平;京津冀城市群在网络层级性上趋于立体,网络效率虽有提升但仍处于较低水平;山东半岛城市群网络层级性增强,网络效率降低但处于最高水平。

超深层挡水放空洞复杂体型高速水流水力特性数值模拟

针对某水电站超深层挡水放空洞复杂体型,利用3D紊流数值模拟方法,采用VOF方法追踪自由水面,对泄流能力、沿程水面线、流速、压强等水力特性进行了数值模拟分析。结果表明,该放空洞结构泄流能力满足设计要求,设计体型基本合理,有压洞转弯段出现严重的偏流,需对该段体型进行优化;弧形闸室后部两侧突扩结构最小负压0.1MPa,结构易发生空化空蚀,建议减小突扩结构尺寸,延长侧墙长度,尽量减小侧墙坡度;消能工段出口底板部位最小负压为0.1MPa,建议取消挑坎末端水平段,使水流直接挑出。

高铁流与信息流在推动环渤海地区城市跨界网络演化中的区别与联系

流动要素是区域一体化发展的先导力量,高铁流和信息流是流动空间的主要物质流态和虚拟流态,对城市网络空间格局产生不同的影响。文章基于2010年、2015年和2020年的高铁客运频次和百度指数数据,运用复杂网络模型刻画了环渤海地区城市跨界网络演化特征。结果表明:(1)高铁流和信息流视角下跨界发展水平不断提高,二者呈现“趋同”演变,共同作用下形成五大增长极。(2)网络联系特征存在差异。相较信息流而言,高铁流跨界融合趋势更为明显,城市功能差异逐渐弥合,扁平化发展趋势显著。(3)区域组织结构各异。高铁流和信息流分别呈现“轴带带动”和“中心—腹地”组织模式。(4)未来环渤海地区在京津冀协同发展引领下实现“点轴—群区”耦合发展。