高级波束成形在旋转声源定位中的应用

为了使高级波束成形中的函数波束成形、压缩感知波束成形、正交波束成形在旋转声源定位中获得广泛应用,对3种高级波束成形在旋转声源定位中的应用进行了研究,从声源空间分辨率,动态范围以及声源功率积分上与传统旋转波束成形和DAMAS(deconvolution approach for the mapping of acoustic sources)反卷积作对比。仿真与实验结果表明:3种高级波束成形均可以应用到旋转声源定位中,并且均能显著提升旋转声源空间分辨率和动态范围以及拥有较高的计算效率。函数波束成形在低频段的空间分辨率低于DAMAS并且容易产生较高的声源功率积分误差。压缩感知波束成形整体性能与DAMAS相近,并且在低频段的空间分辨率比DAMAS有优势。正交波束成形在低频段容易产生声源定位位置误差,抗干扰能力较弱,并且声源功率积分整体低于DAMAS。      

飞机起落架噪声源定位的压缩感知算法

目前针对飞机起落架噪声源定位的研究方法主要是将麦克风阵列与波束成形算法相结合。常规波束成形（CBF）算法在计算时存在主瓣宽度过宽、结果易受旁瓣影响的问题。高级波束成形算法在计算时效率较差,有时会有违背物理现象的假声源出现。提出了一种将正交匹配追踪（OMP）算法与奇异值分解（SVD）相结合的起落架噪声源定位的OMP-SVD压缩感知算法。在消声实验室内进行飞机起落架噪声源定位试验,将OMP-SVD算法、CBF算法和OMP算法在不同频率下获得的结果进行对比。试验结果表明：①与OMP算法相比,OMP-SVD算法在不同频率下均能准确定位出起落架主声源;②与CBF算法相比,OMP-SVD算法显著提高了分辨率。     

一种改进的声反卷积相关声源定位方法

基于传声器阵列的声源定位算法的性能优劣决定了气动噪声试验检测中气动噪声源定位成像的准确性。为了提高相关声源定位方法的稳健性和准确性，提出一种改进的声反卷积相关声源定位方法——D-MACS（Developed-Mapping of Acoustic Correlated Sources）方法。该方法的特点是：在传统MACS方法的基础上，将声反卷积模型进行改进，使模型体现出声场空间扫描点声压互谱矩阵与互谱波束形成输出矩阵之间的数学关系，其最终获得的声源定位结果，能够提高MACS方法声源定位辨识的稳健性和准确性。通过仿真信号研究和声学风洞环境中的声源定位试验研究，比较了DAS（Delay And Sum beamformming）、DAMAS-C（Deconvolution Approach for the Mapping of Acoustic Correlated Sources）、MACS和D-MACS这4种方法的声源定位性能，验证了D-MACS方法在声源定位性能上的优势。     

一种基于麦克风阵列用于分离单极子和偶极子声源的方法

基于单极子假设的波束成形算法作为一种声场可视化技术,在声源识别中得到了广泛应用.但是在实际工程应用中,声源的类型较为复杂,基于单一声源假设的波束成形无法有针对性地识别不同类型的声源.本文提出了一种混合反卷积方法来分离含有单极子和偶极子的组合声源,该方法构造了波束成形输出与实际声源之间的线性方程,通过求解该线性方程,可以...     

不同插值方法对残缺环阵声源定位的影响

研究了利用不完整麦克风阵列进行声源定位的算法，通过修正傅里叶插值、B样条插值和三次样条插值对残缺麦克风阵列的交叉互谱矩阵的插值补偿，获得了声源定位算法。通过数值模拟对声源定位算法进行了验证，发现在波束形成的声源强度上，傅里叶插值模拟结果最大偏差达到5.21 dB,B样条插值为1.17 dB，三次样条插值为0.80 dB；在声源位置偏差上，傅里叶插值为0.04 m,B样条插值为0.01 m，三次样条插值为0.01 m。结果表明傅里叶插值计算得到的声源定位的强度、位置精度和动态性能最差，三次样条插值最优，B样条插值表现一般。实验验证也得出类似的结论，因此利用三次样条插值计算不完整麦克风阵列的交叉互谱矩阵最佳。     

旋翼流场计算嵌套网格并行装配方法改进研究

针对嵌套网格系统下进行旋翼流场计算时的网格装配问题,给出了一种改进的并行化网格装配模型。在该模型中,使用压缩存储的辅助结构网格进行并行"洞切割",生成插值边界;应用基于插值点坐标范围的局部可自适应辅助结构网格定位,缩小了处理器之间进行并行贡献单元搜索时的交互数据范围及生成辅助结构网格的内存消耗,结合局部范围的Neighbor to Neighbor(N2N)搜索重启和穷举方法,消除了网格分区、物面、外场等边界面对贡献单元搜索过程的影响,且方法对网格的拓扑没有限制,适合于结构、非结构、直角网格等网格块的装配过程。在流场计算方面,采用并行化的隐式双时间格式数值求解Navier-Stokes方程,用于旋翼数值模拟问题。理论分析和计算测试表明,在使用粗化的辅助网格时,改进的计算方法能够达到传统方法贡献单元搜索速度近似10倍,在低内存开销情况下降低网格装配过程对流场计算时间占比。在内迭代大于7次时,网格装配时间小于流场计算的1%。该方法是对旋翼多周期计算时反复网格装配过程的很好的效率改进。     

基于径向基函数改进的Delaunay图映射动网格方法

为了提高大变形下动网格生成的效率和质量,基于径向基函数插值技术对原始Delaunay图映射动网格方法进行了改进。首先通过带多项式的径向基函数插值方法计算出背景网格远场边界点的位移;然后将背景网格位移插值到计算网格;最后利用衰减函数将计算网格远场位移衰减为零。基于矩形旋转网格变形实例比较了改进方法与原始Delaunay图映射动网格方法之间的差别,并研究了径向基基点数目和衰减函数类型对变形网格质量的影响。矩形旋转网格变形实例说明该方法能够精确恢复出Delaunay背景网格的旋转特性。NACA 0012翼型、NLR 7301两段翼和M6机翼网格变形算例进一步证明,通过添加控制点,该方法能够不重构背景网格实现大变形下高质量动网格的生成。     

一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法

基于双重空间网格结合策略，发展了一种高效率的贴体DSMC（direct simulation Monte Carlo）方法。通过将仿真分子在物理空间结构网格的位置坐标映射于计算空间的直角网格中，并在计算空间中完成分子所属网格单元的定位以及分子与边界是否发生作用的判断，从而结合结构网格的贴体性和直角网格的高效率计算的优点，提高DSMC方法的贴体性和计算效率。基于双重空间网格结合策略，通过直接映射和间接映射法分别建立DSMC程序，对微尺度收缩扩张喷管气体流动和超声速圆柱绕流进行模拟。数值结果表明：两种方法均很好地模拟出微喷管因尺度缩小导致的黏性效应和速度滑移现象以及超声速圆柱绕流发生的激波现象，具备有效性。与传统结构网格方法对比，两种方法的计算效率平均分别提高了3.85倍和2.85倍，具备高效性。     

旋转坐标系N-S 方程无网格/网格混合算法

为了模拟涡桨发动机等绕固定轴旋转的桨叶流场,发展了一种求解旋转体非定常黏性绕流的无网格/网格混合算法。算法基于求解旋转坐标系纳维尔-斯托克斯方程展开,避免了旋转角速度特征物理量的插值运算;计算域采用整体网格和物面附近局部无网格离散,通过引入无网格和网格对偶点,实现了混合算法绕流信息的跨区交换,并给出了一种对偶点调整选取的方法;基于无网格点云空间导数逼近方法离散控制方程,并结合隐式LU-SGS算法,给出了混合算法求解非定常问题的双时间步隐式推进格式。结果表明:所提算法通过2维振荡翼型非定常绕流、旋转圆柱黏性绕流和模拟发动机桨叶旋转运动的3维悬停旋翼绕流进行了考核,所得升力系数等重要气动数据的变化趋势与文献试验或计算值一致,典型截面处所示的激波强度和位置亦与文献值吻合,展现出算法在模拟旋转部件绕流问题方面具有广阔的工程应用前景。     

一种基于径向基函数和峰值选择法的高效网格变形技术

基于径向基函数的网格变形方法因其具有诸多优点,而被广泛应用于气动外形优化设计等领域。对于大规模网格或复杂构型,该方法所需计算量是难以承受的。为了提高网格变形效率,可以通过减少建立插值模型所需支撑点数目来实现。为此,提出一种高效的选点算法--峰值选择法。该算法在选点过程的每个迭代步中对边界节点处的误差进行分析,从物面节点中选取多个峰值点来更新支撑点集,减少迭代步数,提高选点效率。在该算法的基础上,实现了网格的高效变形。三段翼型的网格变形算例证明：该方法可以在保证网格质量的同时实现复杂网格的变形。以DLR-F6复杂模型（约1 000万网格）的刚性运动和弹性大变形为算例对该方法的变形效率和变形后网格质量做了进一步评估：当相对误差设置为5.0×10^-7时,在保证变形后网格质量的前提下,该方法变形效率最快比传统贪婪算法提高了13倍,其中在选点效率方面最快提高了31倍。     

基于高阶耗散紧致格式的GMRES方法收敛特性研究

计算效率较低是当前限制高阶精度计算方法应用的重要因素。为了提高高阶精度混合型耗散紧致格式（HDCS）的计算效率,发展了适合多块对接网格的广义最小残值（GMRES）方法,并利用GMRES方法开展了HDCS格式的加速收敛研究。首先研究了GMRES的预处理方法、CFL数和内层迭代步数对HDCS数值模拟收敛特性的影响,计算结果显示：点松弛方法是一种高效的预处理方法;CFL数对计算收敛速度影响较大;GMRES方法存在最优的内层迭代步数。利用GMRES方法完成了NACA 0012翼型绕流、NLR 7301翼型绕流和DLR-F4翼身组合体绕流的数值模拟,并与其他隐式时间推进方法进行了对比,GMRES方法计算更加稳定,并且计算效率相对LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法可以提高5倍以上。研究结果表明,本文发展的GMRES方法在多块对接网格中具有良好的计算稳定性,计算结果的残差可以收敛到更低的量级,并且可以较大幅度地提高高阶精度数值模拟的计算效率。     

Improving ESPRIT via beamforming

Beamforming techniques are presented that improve the performance of the ESPRIT (estimation of signal parameters via rotational invariance techniques) algorithm for solving the narrowband multiple source location problem with uniform linear arrays. Using ESPRIT with these beamforming approaches maintains the computational advantage of the original ESPRIT while further exploiting the special structure of uniform linear arrays. Simulation results show that the use of ESPRIT with beamforming yields significantly improved performance compared with the original ESPRIT     

旋转坐标系下分区计算的LU隐式方法

将隐式时间迭代方法应用于并行计算是CFD研究中的热点问题,研究发现LU-SGS格式在旋转坐标系下对分区边界比较敏感,对旋翼悬停状态进行分区并行计算时碰到了计算发散的问题。针对此问题,对基于LU分解的3种隐式时间迭代格式（LU-SGS、DP-LUR和HLU-SGS）进行了对比研究,设计了静止流场下的旋转网格算例对计算方法进行测试。结果表明,LU-SGS格式在网格边界采用简化处理方法,当边界的逆变速度增大时会引起数值误差放大,误差的不断积累导致计算发散。DP-LUR和HLU-SGS格式通过在边界单元采用雅克比迭代算法,能有效消除分区边界影响,使计算格式在大CFL数条件下保持稳定,其中HLU-SGS继承了LU-SGS迭代效率高的特点。在此基础上,采用并行化的LU隐式方法对Caradonna-Tung旋翼进行了并行计算,针对两套稀密程度不同的背景网格,在产生复杂分区边界的计算网格条件下,均获得了气动力和旋翼尾迹都充分收敛的流场。通过计算,分析了背景网格密度对预测气动力性能和捕捉尾迹流场的影响,计算结果与试验值吻合良好,验证了当前隐式计算方法适用于旋转坐标系并行计算,适合于推广至其他大规模并行分区的流场计算。     

旋转体源声辐射的近场分析

详细讨论了旋转运动声源的近声场频域解。所得近场解析式表现为远场解基础上的近场修正。范例计算显示出这种修正的特点, 并表明源的旋转半径和轴向偏移对声场影响的性质。风扇实验初步证明了文中分析。      

转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积 TVD格式

在非惯性转动坐标系中,本文采用贴体网格、有限体积法离散和修正数值通量技术,将Harten的一维TVD格式推广到三维。由于转动使方程出现源项,文中通过对源项的巧妙处理,使修改后的格式能用于非齐次双曲守恒律方程组高分辨率的数值计算。为了加速解的收敛,提高显式时间推进的CFL数,本文采用隐式残值光顺技术。三维跨声速带非齐次源项欧拉方程的典型算例表明:捕捉的激波分辨率较高;激波前后没有发现大的数值波动和伪振荡现象;所得的跨声速流场解与实验较接近。