卫星微振动液阻隔振器建模与试验研究

卫星微振动隔振器建模是进一步整星振动仿真、优化和控制的基础。针对五参数分数阶导数模型无法描述液体阻尼式卫星隔振器幅变特性的缺点,根据试验数据,分别对各位移振幅激励下的隔振器的动特性曲线进行参数识别,根据参数识别结果,对五参数分数阶导数模型进行幅值相关性修正,引入幅变因子。由仿真结果与试验结果的对比可知,引入了幅变因子的分数阶导数模型可以很好地预测隔振器的幅变特性。在提出的改进型分数阶导数模型的基础上,进行了模型参数影响分析。所提出的建模方法可为微振动隔振器的设计和分析提供参考。      

Euler方程的分裂型通量分裂双时间步隐式方法

传统隐式方法有格式复杂、计算量大等缺点,在Euler方程的差分离散过程中,利用算子分裂思想,结合通量分裂法、双时间步法等隐式离散方法,构造了一种更简单的分裂型隐式计算方法.通过对典型空气动力学问题的计算,检验了该方法的有效性和可靠性,并对其性能做了具体讨论.该方法具有稳定性好、时间步长约束小等隐式格式的普遍优点,同时具有格式简单、程序易实现等优点;避免了传统隐式方法单步推进时的方程组常规求解及矩阵求逆过程,计算量小;比LU-SGS方法收敛速度快.      

空间高阶差分近似对三维ADI-FDTD数值色散的影响

研究采用空间高阶差分近似的三维交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD,Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time-Domain)数值色散问题,首先推导了采用空间高阶差分近似的数值色散迭代公式,分别对最小相速方向和最大相速方向进行二阶、四阶、六阶、十阶空间差分数值色散误差的数值计算和比较,并分析数值色散对空间差分阶数的依赖关系,最后发现在均匀网格中采用四阶空间差分能得到较好的效果.     

超声速进气道可压及不可压流动数值模拟

采用Chio-Merkle预处理矩阵对可压NS(Navier-Stokes)方程组进行时间预处理,分析了预处理方法的物理和数学背景.用有限体积方法,结合LU-SGS(Lower-Upper-Symmetric-Gauss-Seidel)隐式时间积分和AUSM+(P)(Precondition Advection Upstream Splitting Method)格式、中心差分2种空间离散格式,求解该预处理NS方程组.通过圆弧凸包流动和二维方腔顶盖驱动流动的数值试验表明,该方法克服了传统时间迭代方法模拟低速流动时的刚性问题,加速了收敛过程,可以同时有效地模拟可压及不可压流动.用此方法与块结构化网格技术相结合,进行了在不同飞行马赫数、攻角和出口反压条件下,混压式轴对称超声速进气道三维流场数值模拟.计算结果表明:该方法能准确地捕获复杂激波系,清楚地揭示进气道三维流动现象;进气道性能随工作条件的变化规律,与理论分析一致.      

非结构三角形网格的一个ENO型有限体积方法

基于双曲型守恒律方程,对非结构三角形网格给出了一种ENO(Essentially Nonoscillatory Scheme)型有限体积格式,方法的主要思想是先对每一个三角形单元构造一个加权的二次插值多项式,而在计算交界面的流通量时采用了两点高斯积分公式以保证格式的整体精度,时间离散采用三阶TVD Runge-Kutta方法.最后给出了该格式收敛的数值阶,并对前台阶问题进行了计算.      

气体二次喷射推力向量控制数值仿真

采用基于Favre平均的三维N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机气体二次喷射推力向 量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟;采用三阶精度空间差分格式和隐式Jacobi时间点迭代 方法进行求解;借助数值模拟技术对气体二次喷射推力向量喷管方案进行了初步探索,研究 了不同喷射条件对气体二次喷射流场特征及侧向控制力的影响作用;研究表明,二次喷射气 体喷射孔位置、总温及总压等因素对侧向力影响具有耦合作用,合适的喷射孔位置和高温燃 气以及较大喷射总压都能有效增加侧向力及向量角;燃气二次喷射系统具有较高的效率;侧 向力随二次喷射流总压增加而线性增大.      

高超音速化学非平衡流的隐式格式迭代解法

针对高超音速化学非平衡流计算中的隐式TVD格式给出了一种迭代解法.该方法是在原有的Harten-Yee格式基础上,在每一时间步对无粘部分进行迭代运算,目的是为了加速收敛.借助对模型方程的收敛性分析,证明该迭代算法是收敛的.二维数值实验表明该方法对于高马赫数时的化学非平衡流能明显提高隐式格式的计算效率,其计算结果是满意的.     

高空大气成份的数值分析

本文给出一种用有限差分法求解高空大气成分数密度的方法。基本方程是二阶非线性偏微分方程组,采用隐式差分格式,为了节省存贮量和避免求解大型非线性方程组的复杂性,对于每一积分时间步,采用分组线化Gauss—Seidel迭代法,以其迭代过程的收敛值来近似非线性和隐式差分式。在本文给定的边界条件下,将边界条件的差分式联立于内点的差分方程组中,构造了一种三对角线矩阵的追赶算法。以本算法编制的计算程序对于五种大气成分,在几种不同状态条件下进行试算,和现有的观测资料比较,结果是令人满意的。     

一种基于微分代数的任意阶空间目标轨道传播方法及其分析

微分代数方法可以在不改变当前算法计算过程的基础上给出函数对自变量任意阶导数的精确值。本文给出了一种基于微分代数的任意阶空间目标轨道传播方法。本方法首先将初始微分代数代入轨道传播方程，然后用获得的高阶导数构造新的高阶微分代数。用新的高阶微分代数迭代前述过程可求解空间目标状态对时间的任意阶导数。最后，将任意阶导数代入泰勒展开公式求解空间目标轨道单步传播。本方法要求轨道传播方程采用的摄动力模型在轨道传播积分区间上是解析的。本文通过仿真分析验证了所提方法的有效性。     

Ion-acoustic waves in unmagnetized collisionless weakly relativistic plasma of warm-ion and isothermal-electron using time-fractional KdV equation

Collisionless unmagnetized plasma consisting of a mixture of warm ion-fluid and isothermal-electron is considered, assuming that the ion flow velocity has a weak relativistic effect. The reductive perturbation method has been employed to derive the Korteweg–de Vries (KdV) equation for small – but finite-amplitude electrostatic ion-acoustic waves in this plasma. The semi-inverse method and Agrawal’s method lead to the Euler–Lagrange equation that leads to the time fractional KdV equation. The variational-iteration method given by He is used to solve the derived time fractional KdV equation. The calculations show that the fractional order may play the same rule of higher order dissipation in KdV equation to modulate the soliton wave amplitude in the plasma system. The results of the present investigation may be applicable to some plasma environments, such as space-plasmas, laser-plasma interaction, plasma sheet boundary layer of the earth’s magnetosphere, solar atmosphere and interplanetary space.     

利用CFD技术计算飞行器动导数

利用非定常流场数值计算方法模拟飞行器强迫俯仰振荡仅能得到俯仰力矩系数对迎角变化率和俯仰角速度的动导数之和,而动稳定性分析需要单独的动导数数值.为解决这个问题,利用滑移网格模拟强迫振荡运动,得到俯仰力矩系数对迎角变化率和俯仰角速度的动导数之和.利用旋转参考坐标系模拟定常拉升,得到俯仰力矩系数对俯仰角速度的动导数.利用旋转参考坐标系模拟匀速滚转,得到滚转力矩系数对滚转角速度的动导数.对有翼导弹和水上飞机进行了纵向和横向动导数的计算.计算结果与试验数据、文献数据以及其他方法得到的结果具有较好的一致性,表明提出的方法可用于复杂外形飞行器动导数计算.     

GA-A3DI-FDTD的PML吸收边界数值反射分析

研究一种减小三维交替方向隐式时域有限差分法ADI-FDTD(Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time-Domain)数值色散的新方法GA-A3DI-FDTD(Genetic Algorithm Artificial Anisotropy ADI-FDTD).首先对添加人工各向异性介质后的三维ADI-FDTD迭代公式进行变形,得到新的数值色散关系,再利用自适应遗传算法AGA(Adaptive Genetic Algorithm)得到需要添加的人工各向异性介质的相对介电常数.并以空心波导作为数值算例,分析了由不同目标函数得到的人工各向异性介质对计算精度以及PML(Perfectly Matched Layers)吸收边界数值反射产生的影响,同时分别与传统ADI-FDTD相比较.结果表明通过正确选择目标函数,得到更加合适的人工各向异性介质,可以在减小三维ADI-FDTD数值色散的同时,有效地抑制由于人工各向异性介质的添加所造成的PML吸收边界数值反射的增强.      

刚性方程的二阶Gear方法的注记

构造了一个求解刚性方程的二阶差分格式,它是隐式的,并采用简单迭代求解,对于稳定系统,迭代收敛性条件与步长无关,而对不稳定系统,迭代收敛性条件对步长却有所限制,利用这一限制性条件去克服解刚性方程的二阶Gear方法时出现的“危险性”。     

一种跨声速定常流场求解加速方法

跨声速定常流场的隐式求解相当于使用牛顿迭代法求解一个非线性方程组。为满足牛顿迭代收敛性的要求,通常需要对所求解问题进行全局化处理。在同伦延拓的框架内,提出了一种基于拉普拉斯算子的方程延拓方法,提高了定常流场隐式求解收敛速度。针对定常流场通常初始化为均匀来流的特点,一方面利用拉普拉斯算子的椭圆性加快边界条件信息向流场内部的传播,另一方面利用拉普拉斯算子的线性和正定性改善延拓问题的正则性,综合两者增加拟牛顿算法的稳定性,提高可用CFL数,最终达到提高流场求解效率的目的。由于流场问题的复杂性和非线性,难以通过理论分析得出先验的最优非线性求解策略。因此,通过无黏NACA0012翼型、湍流RAE2822翼型和三维ONERA M6机翼等算例的数值实验,研究了拉普拉斯项参数对收敛效率的影响,给出了效率较优的参数组合,验证了本文方法在跨声速情况下相对于经典伪时间推进法可以节约20%以上的CPU计算时间。      

On Lambert’s problem and the elliptic time of flight equation: A simple semi-analytical inversion method

In the two-body model, time of flight between two positions can be expressed as a single-variable function and a variety of formulations exist. Lambert’s problem can be solved by inverting such a function. In this article, a method which inverts Lagrange’s flight time equation and supports the problematic 180°$180°$ transfer is proposed. This method relies on a Householder algorithm of variable order. However, unlike other iterative methods, it is semi-analytical in the sense that flight time functions are derived analytically to second order vs. first order finite differences. The author investigated the profile of Lagrange’s elliptic flight time equation and its derivatives with a special focus on their significance to the behaviour of the proposed method and the stated goal of guaranteed convergence. Possible numerical deficiencies were identified and dealt with. As a test, 28 scenarios of variable difficulty were designed to cover a wide variety of geometries. The context of this research being the orbit determination of artificial satellites and debris, the scenarios are representative of typical such objects in Low-Earth, Geostationary and Geostationary Transfer Orbits. An analysis of the computational impact of the quality of the initial guess vs. that of the order of the method was also done, providing clues for further research and optimisations (e.g. asteroids, long period comets, multi-revolution cases). The results indicate fast to very fast convergence in all test cases, they validate the numerical safeguards and also give a quantitative assessment of the importance of the initial guess.     

相变降温服热分析

为了研究相变材料降温服在高温高湿条件下的热防护性能和相变材料数值计算 方法应用于降温服传热计算的可行性,在分析服装传热传质特点及计算方法的基础上,利用 焓值分析法对服装中的相变材料建立传热模型,在整个区域建立统一的能量方程,在区域结 点进行离散,并进行隐式求解,得到焓的分布.建立了关于人体、降温服相变材料、人体着装 、环境的传热模型,用此模型进行高温高湿条件下的人体着装的动态仿真,并进行试验验证 .降温服计算和实验结果吻合良好,可以看出,相变降温服热分析方法可靠合理.      

俯仰阻尼导数分量的CFD数值模拟

提出一种直接求解直接阻尼导数的方法,该方法不仅适用于轴对称外形,也适用于非轴对称外形.数值模拟飞行器的非定常强迫沉浮运动和强迫角振动,并在Etkin的非定常气动力模型基础上,辨识得到飞行器的洗流时差导数和俯仰阻尼导数,研究飞行器俯仰通道各阻尼导数的数值计算方法.对弹道外形和基本带翼导弹标模外形及Hyflex升力体外形进行研究分析表明,将阻尼导数分量相加得到的俯仰阻尼导数与直接求解强迫角振动得到的俯仰阻尼导数与试验结果吻合很好,各阻尼导数分量随质心位置的变化趋势也与理论预测相符.对于带翼飞行器,超声速条件下,洗流时差导数在俯仰阻尼导数中占主导作用.