大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究。计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比。计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性。所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中。

近空间高超声速飞行器对控制科学的挑战

本文分别从6个方面讨论高超声速飞行器对控制科学带来的挑战:1)高超声速飞行器强耦合特征,解耦与耦合协调控制的区别与联系;2)高超声速飞行器异类多作动器的协调配合,以及冗余控制输入和一体化设计带来的控制科学问题;3)流体力学与控制的结合,面向控制的建模理论与方法;4)高超声速飞行器中相关的经典非线性、时变、优化与变分问题;5)高超声速飞行器控制过程中的飞行分段与问题分解;6)重视计算机的作用,有效结合计算机仿真解决工程问题.从高超声速飞行器实际需求出发提炼问题并加以解决,不仅对飞行器本身非常重要,而且会推动控制科学的发展.

变刚度复杂梁结构损伤检测方法研究

提出了适用于复杂梁结构损伤检测的子段模态应变能法SSEM(subsection strain energymethod),并分析了该方法的适用性条件.通过对变截面梁的有限元计算,以及对纤维增强复合材料风机叶片缩比模型的试验分析,验证了SSEM方法确定的结构损伤指标对损伤准确定位的可靠性.该基于振动的变刚度复杂梁结构的损伤检测方法,可应用于工程实际中梁和类梁整体结构的损伤检测.

圆柱坐标系下连续旋转爆轰发动机的数值模拟

使用两步化学反应模型对连续旋转爆轰发动机(Continuous rotating detonation engine,CRDE)进行了二维数值模拟研究。数值计算获得了同轴圆管腔中间层曲面上连续爆轰的多个循环过程。分析了燃料入射、提前燃烧、爆轰波结构和波传播速度等几个关键问题。计算获得燃烧室内流场结构与之前实验研究结果定性符合。计算中燃料以最大1400m/s沿轴向入射,爆轰波可约以2400m/s沿周向连续循环传播。计算的燃烧室内爆轰波循环频率约为2300Hz。

图论与复杂网络

近10年来迅猛发展起来的复杂网络理论为研究复杂性与复杂系统科学提供了一个重要支撑点,它高度概括了复杂系统的重要特征,无论是在理论还是在应用方面都具有很强的生命力,而且在各个方面都得到了很大发展.重点讨论图论在复杂网络中的应用,特别是代数图论在复杂网络同步问题中的应用.首先给出一些图的最小非零与最大特征值以及同步能力的估计,并且讨论了图与图特征向量在同步能力估计中的作用.其次以两个简单图指出同步能力与网络结构参数的关系复杂,并给出补图与加边对同步研究的意义,然后给出图运算在复杂网络同步中的作用.最后从图论与控制理论角度展望了复杂网络领域未来可能的发展方向.

非球体填充的组合球模型及松弛算法

现有的松弛算法由于仅用于球填充而只考虑颗粒的平动,故提出考虑非球体转动的改进松弛算法并采用组合球模型,使其能够模拟任意形状非球体的随机填充以及多种非球体的混合填充.用多个球体的外包络面近似一个非球体外形的组合球模型,将非球体之间的接触转化为球体之间的接触,从而简化并统一非球体接触判断算法.通过引入非球体的转矩和转角松弛机制,使改进松弛算法克服了"自锁"现象,并能生成非球体的随机密填充.算例表明,填充结果与现有的数值模拟及实验结果相符.

控制与本质非线性问题

回顾了控制理论的发展,并讨论了线性系统、单平衡位置系统的本质特征.重点介绍了多平衡点非线性系统的本质非线性特征,复杂多彩的动态特性,包括自振、混沌、同宿轨、异宿轨,特别是讨论了高阶系统的复杂性.进一步讨论了控制介入到本质非线性系统后可能的发展前景与挑战.

离散系统中冗余控制输入的作用(英文)

考虑了离散系统多冗余输入作用问题.首先介绍了一个多冗余输入使得二次性能指标严格下降的充分必要条件.对于品质指标非严格下降的情形,利用辛矩阵特征向量与广义特征向量给出了决定初始条件的方法.多冗余输入情况下不确定系统保证品质问题给出了类似的结果.进一步给出了一个选择输入矩阵使得二次性能指标下降更快的优化算法.提供了一个数值例子以验证理论结果.

地下防护结构在冲击载荷作用下的动态破坏过程

通过数字高速摄影技术和动态电测技术,对马蹄形地下防护结构在冲击载荷作用下的动态破坏过程进行了缩比模型实验研究。结果表明,底部是整个马蹄形结构最为脆弱的部分,需要重点防护。在结构内层加装钢板或其他高强度防护材料会显著提高该种结构的抗冲击能力。结构的破坏是一个动态累积的过程,而材料的抗拉强度直接影响这类结构的抗毁伤能力。通过获得的实验数据验证了采用LS-DYNA有限元软件对于地下防护结构在冲击载荷作用下破坏过程进行研究的可行性和准确性。

颅内直的/微弯母管动脉旁瘤的三维稳态流/脉动流的数值模拟

对颅内直的或微弯母管动脉旁瘤的血液动力学进行数值模拟。在血液为不可压缩、牛顿流体和刚性血管假定下,利用人工压缩性方法求解三维N-S方程。在稳态和脉动情况下,计算了流动压力、剪应力、入流体积及速度场和压力场。基于管径的最大/最小Reynolds数是475/152,Womersley数是2.5,这些值表示了中等脑动脉。计算结果表明,在瘤颈的近端和远端应力集中,直管旁瘤比微弯的母管旁瘤的应力更集中,而且在一个脉动周期的大部分时间里,微弯母管的入流速率高于直母管的入流速率;压力有两个极大值,分别出现在瘤的顶部和瘤颈的近端;在一个周期内,流动方向和流入瘤中的流量的快速变化,导致瘤的远端和近端剪应力的压力快速变化,从而连续地损伤瘤颈的内膜,其后可能导致瘤的生长或再生。

连续推力最优轨道规避

应用非线性规划方法研究了连续推力时间最优和燃料最优航天器规避问题。航天器空间飞行中,为了避免与其他航天器或空间碎片相撞,需采取措施实施规避策略。由于航天器最优规避问题是典型的具路径约束的轨迹优化问题,间接法即应用极大值原理难于处理。考虑航天器推进系统为固定比冲发动机,用改进的轨道根数描述航天器动态,在给定最大推力幅值和中间过渡轨道时,将规避问题划分为转移和返回两个阶段,然后应用非线性规划方法统一考虑时间最优和燃料最优航天器最优规避问题。数值仿真结果表明,最优规避任务能够完成;在时间最优或燃料最优规避情形时,航天器均以最大推力工作,且时间最优规避时消耗燃料最少。

直角坐标网格下LSFD方法的显式公式和性能研究

重点讨论了LSFD(least square-based finite difference)方法和传统的FD(finite difference)方法在性能上的对比问题.对于传统的中心差分格式,一阶导数和二阶导数在二维情况的数值格式基架点有9个点,三维情况有27个点.在同样的基架点下,给出了LSFD方法近似一阶导数和二阶导数的显式公式,并指出LSFD方法在这种情况下实质上就是在不同网格线上的传统中心差分格式的组合.在数值模拟中,LSFD方法达到收敛所需要的迭代步数比传统差分格式少,并且x和y方向的网格纵横尺度比在LSFD方法中是一个非常重要的参数,对计算的稳定性有重要影响.

基于树网格的格子Boltzmann方法以及曲线边界的处理

将格子玻尔兹曼方法(LBM)和BFECC技术相结合,在四叉树网格上实现,并用于二维不可压缩流动的求解.二维四叉树(三维八叉树)网格是一种非均匀网格,利用树结构进行数据存储,具有非常高的检索效率.BFECC是一种数值技巧,可以把求解输运方程的奇数阶格式通过误差修正提高一阶精度.基于四叉树网格的LBM,引入BFECC后,能有效减小输运过程中非均匀网格插值产生的误差,在总体上实现二阶精度,和经典的LBM方法相当.最后给出二维顶盖驱动方腔流动算例和二维圆柱绕流算例,从中可以看出格式的有效性.

对数值模拟气相爆轰中二阶段化学反应模型再研究

采用改进的高精度时-空守恒元解元算法(the space-time conservation element and solution element meth-od,CE/SE method)和考虑组分的二阶段化学反应模型(Sichel的二步模型)对气相爆轰问题的数值模拟进行了分析。分析发现采用Sichel的二步模型得到的数值结果虽然比早期二阶段化学反应模型(旧二步模型)更接近实验值,但是仍然不能得到爆轰过程准确气体动力学参数。为此通过修改组分的质量分数分布形式对Sichel的二步模型进行了改造,然后采用新的二步模型对平面爆轰波进行了数值模拟。数值结果表明采用新的二步模型计算得到气体动力学参数更接近于实验值和基元反应模型的计算值,在计算精度上有较大提高。

基于孔洞分布理论的多孔材料板振动分析

主要研究了不规则几何结构多孔材料制备的板材的振动分析.基于Gibson-Ashby等效模量计算,引入了分布因子加以改进原有的理论.对于材料的孔洞分布情况,提出了Burr分布的概率密度拟合,获得了Burr分布的3个自变量参数并用实际的孔洞几何参数进行了比对与描述.基于平板振动理论和等效模量理论,计算出了随着孔洞分布情况变化下的平板固有振动频率,并分析了孔洞尺寸与频率间的关系.之后引入了尺度因子来量化描述平均孔洞尺寸对多孔平板的频率影响.结论证明了改进的等效理论能够有效地体现孔洞的分布对平板力学性能的改变,论述了孔洞尺寸范围,孔洞离散度以及平均孔洞尺寸对多孔方板结构固有频率的影响.这种影响将会对多孔材料结构的优化设计起指导作用.

颗粒材料上运动物体所受摩擦力的数值模拟

通过数值模拟,考察一定重量的平板在水平颗粒物质层上做匀速运动所引起的剪切颗粒流,并关注其与平板的摩擦力及等效摩擦系数.数值结果表明,等效摩擦系数不是常数,与平板的运动速度有关.这与通常的固体与固体之间剪切作用时所满足的摩擦定律不同,体现了颗粒系统的特殊力学行为.

鱼洗内颗粒流动的数值模拟

实验表明,鱼洗内的流动存在高度非线性的相互作用,并最终导致表面连续性的破坏.在数值模拟中,这类问题是非常难处理的.该文从离散的观点出发,直接考虑容器内部粒子的运动.即采用分子动力学方法,模拟鱼洗内的流动.该方法所考虑的实质是颗粒流动,不要求介质是连续的,从统计物理的观点看,当所模拟的粒子数非常大时,在统计上和连续介质相当.该文首先发展了基于消息传递(MPI)的并行计算程序,可以用来做大规模的颗粒流动模拟.对鱼洗内的颗粒流动模拟结果表明,在外界激励下,鱼洗内的颗粒流动表现出的现象和液体流动类似,边界的能量以波的形式向内部传播,并很快耗散掉,在边界激励点附近,颗粒因为受到边界和内部粒子的挤压作用而跳起,从直观现象上看,和鱼洗的流动实验一致.在能量的概率密度分布函数中,可以观察到两个明显的指数区.

连续旋转爆轰发动机流场三维数值模拟

对连续旋转爆轰发动机(continuous rotating detonation engine,简称CRDE)流场进行了三维数值模拟.数值计算获得同轴圆管腔内CRDE的多个爆轰循环过程.依据计算获得流场,分析了可燃气入射、提前燃烧、爆轰波结构等实现连续爆轰的几个关键机理问题.通过多个算例对不同来流总压时的旋转爆轰的推进性能进行了比较与分析,最后计算获得基于燃料的比冲约为2 200 s,燃料流量随总压变化呈线性增长.

非结构动网格生成的弹簧-插值联合方法

提出了基于弹簧法的两点改进,以解决边界发生大变形时的非结构网格变形问题。为了使边界运动引起的网格变形能更好地由边界传递到内部网格中,提出了一种新的基于Delaunay网格插值的弹簧倔强系数逐层改进方法。为了提高弹簧法的计算效率,引入背景网格和直接插值方法,提出了弹簧-插值法。弹簧-插值法首先生成计算域的背景网格(粗网格),然后由弹簧法求解边界运动引起的背景网格变形,最后利用变形后的背景网格直接插值得到计算网格的变形。算例结果表明:改进后的方法一方面有效地提高了动网格的变形能力和变形后的网格质量;另一方面通过降低弹簧法的求解规模,显著地提高了动网格的变形效率。

基本三维几何体的最高填充率

数值模拟结果表明,基本三维几何体随机填充的填充率上限从高到底依次为:立方体(0.78)、椭球(0.74)、圆柱(0.72)、球柱体(spherocylinder,0.69)、四面体(0.68)、圆锥(0.67)、球体(0.64),而规则填充的填充率上限依次为:立方体(1.0)、圆柱和球柱体(0.9069)、圆锥(0.7854)、椭球(0.7707)、球体(0.7405)、正四面体(0.7175),这两种填充率排序的顺序并不相同.椭球、圆柱、球柱体、四面体和圆锥的随机填充率均与其形状有关,它们达到最高填充率时的形状参数分别为:椭球(三轴比为0.8:1:1.25)、圆柱(高度/直径=0.9)、球柱体(圆柱段高度/直径=0.35)、四面体(正四面体)和圆锥(高度/底面直径=0.8).