高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。     

Small perturbation propagation in the viscoelastic fluid enclosed in a multilayer viscoelastic tube

A pulsating flow of the incompressible viscoelastic fluid enclosed in the multilayer viscoelastic tube of a variable circular section is investigated. The problem stated leads to the singular Sturm-Liouville boundary value problem which in its turn is reduced to the equivalent integral equation of the Volterra type that is solved by the successive approximation method. The influence of fluid relaxation and retardation time on the wave system characteristics is revealed.     

磁流变流体挤压油膜阻尼器转子系统动力特性

利用磁流变流体的粘度能够在极短的时间内随外加磁场发生明显的可逆变化的特性，提出了一种新型的磁流变流体挤压油膜阻尼器。在分析了各种磁流变流体、外加磁场强度和挤压油膜阻尼器的径向间隙对转子系统在非旋转状态下的频响函数特性的影响后，详细地研究了磁流变流体挤压油膜阻尼器对转子系统的振动进行控制的可行性和有效性，最后分析了磁流变流体挤压油膜阻尼器所存在的一些特殊问题。试验表明在较大的阻尼器径向间隙和较小初始粘度的磁流变流体的条件下，磁流变流体挤压油膜阻尼器的动力特性完全可以由简单的磁场来控制，并且具有显著的减振移频作用。     

超燃冲压发动机一维稳态跨声速流动奇异初值问题的一个解法

超燃冲压发动机燃烧室一维稳态跨声速流动方程在临界声速点存在奇异初值问题，现有的基于L’Hospital法则的求解方法在原理上存在较大的初值误差，影响一维稳态跨声速计算的精度。为此，本文提出了一种基于变量代换的改进算法，通过定义新的流动变量W=-Ma^2＋2Ma，构造出了非奇异的一维稳态跨声速流动方程。消除了微分方程的奇异性，有效的解决了一维稳态跨声速流动计算过程中存在的奇异初值问题。     

Coupling fluid (CFD) and structural (FE) models using finite interpolation elements

In the field of aeroelasticity, interactions between elastic structures and fluid flow are investigated. Recently, numerical aeroelastic models have been built composing those of the combining fluid dynamics (CFD) and the computational structural dynamics (CSD) domains. Since the fluid and the structural models differ in their formulation and discretization, an interface model has to be introduced that represents the connectivity and physical interaction between the two single domain models. In the following, a scheme for coupling fluid (CFD) and structural models (FE) in space is presented which is based on finite interpolation elements. It is applied to static aeroelastic problems, in order to predict the equilibrium of elastic wing models in transonic fluid flow. The structure is represented by finite elements and the related equations are solved using commercial FE analysis codes. The transonic fluid flow is described by the three-dimensional Euler equations, solved by an upwind scheme procedure. The resulting coupled field problem containing the fluid and the structural state equations, is solved by applying a partitioned solution procedure. In each solution step the interface and boundary conditions are exchanged and updated. Here, a fixed-point iteration scheme is used for the coupled aeroelastic equations.     

磁流变液及其在工程中的应用

磁流变液是近年来得到广泛重视的一种新型的智能材料，它是由悬浮于载体液中的软磁性颗粒和稳定剂构成。介绍了磁流变液的特性，系统阐述丁磁流变液的研究现状及其在工程中的应用情况，详细分析了磁流变技术存在的问题、关键技术及其发展趋势。     

分离流和涡运动横截面流态的拓扑

为表片分离流和涡运动的空间特征，实验和计算多给出各横截面上流态。本文给出了横截面流态的拓扑规则，它们是：物体截面轮廓线上半奇点的分布规则；横截面流态奇点数的拓扑规则；Ｐｏｉｎｃａｒｅ指数判定表面纵向分离起始和终结的原则；物面坡度为正时，截面对称线上奇点数目的规则。     

Review of shock wave detection method in CFD post-processing

In the present computational fluid dynamics (CFD) community, post-processing is regarded as a procedure to view parameter distribution, detect characteristic structure and reveal physical mechanism of fluid flow based on computational or experimental results. Field plots by contours, iso-surfaces, streamlines, vectors and others are traditional post-processing techniques. While the shock wave, as one important and critical flow structure in many aerodynamic problems, can hardly be detected or distinguished in a direct way using these traditional methods, due to possible confusions with other similar discontinuous flow structures like slip line, contact discontinuity, etc. Therefore, method for automatic detection of shock wave in post-processing is of great importance for both academic research and engineering applications. In this paper, the current status of methodologies developed for shock wave detection and implementations in post-processing platform are reviewed, as well as discussions on advantages and limitations of the existing methods and proposals for further studies of shock wave detection method. We also develop an advanced post-processing software, with improved shock detection.     

高精度的机翼静气动弹性数值模拟方法研究

气动结构耦合是研究静气动弹性问题的关键所在。采用三维Euler方程为控制方程,以有限元方法计算结构弹性变形,用细平板样条法(TPS)实现气动结构数据间的转换,进行机翼静气动弹性数值的模拟。算例结果表明,本方法是一种具有很高计算精度和工程实用性的气动弹性模拟方法。     

不等熵一维定常管流数值解法

不等熵一维定常管流控制方程的数值解法,已有许多讨论,但大多局限于某些特定情况,特别是控制方程在奇点(M=1)附近的计算,还没有一个简便的方法.本文引进新变量,把方程变为非奇异的,提出了对各种不等熵流都适用的数值解法.由于引进了喉部条件,保证了数值解的唯一性.经过对模型方程的计算精度分析,证明该数值解除了在奇点附近稍有误差外,其它地方与精确解一致.本文最后给出了该方法在无喷管发动机内弹道计算中的应用.     

微纳米尺度流动实验研究的问题与进展

微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm～1nm范围,处于宏观流动到分子运动的过渡区。连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接,提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合,化学、电学性质对流动的影响值得关注。微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段,要求测量空间精度达到nm量级,力的测量精度达到pN,时间分辨率达到ns。本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题,介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展,而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。     

Flow about a jet source with a deflector

We suggest a method to solve one of the model problems of aerohydrodynamics, namely, a problem of a flow about a point source, from which a fluid with density and total pressure, different from the corresponding values in the incoming flow enters. The calculations are carried out for various values of the determining parameter; and the data are compared with the known results. We revealed the advantages of the suggested method in comparison with the known ones.     

Recent progress of machine learning in flow modeling and active flow control

In terms of multiple temporal and spatial scales, massive data from experiments, flow field measurements, and high-fidelity numerical simulations have greatly promoted the rapid development of fluid mechanics. Machine Learning(ML) provides a wealth of analysis methods to extract potential information from a large amount of data for in-depth understanding of the underlying flow mechanism or for further applications. Furthermore, machine learning algorithms can enhance flow information and automat...     

二维可压缩自由剪切层的理论分析

本文从"二维可压缩自由剪切层存在相对稳定的大尺度拟序涡结构,流场应该满足什么样的条件"这样一个反问题出发,应用常微分方程奇点理论对NS方程进行了分析,维持大尺度拟序涡结构的条件是流场内有交替出现的能量不平衡点,鞍点是温度极大值点,结点是温度极小值点;压缩性增加抑制了结点的生成和持续,是导致可压缩自由剪切层厚度增长速度比不可压情况变小的机理;得到的结论可以合理解释现有的物理现象.其次,对于目前研究可压缩自由剪切层广泛应用的对流马赫数进行讨论,认为在建立过程中采用鞍点是压力极大值点假设条件不合理,得出的公式不能反映介质特性,本文采用鞍点是温度极大值点作为假设条件,提出新的求解对流马赫数的公式.根据流动机理分析,提出通过在流场内建立交替出现的鞍点和结点,触发大尺度拟序涡结构,解决超燃冲压发动机混合问题;理论上给出大尺度拟序涡结构频率条件.     

超声速磁流体加速实验及一维模型分析

为了获得负载系数、电导率等参数变化对超声速磁流体加速效果的影响规律,利用激波风洞,采用氩气与碳酸钾作为工质,电容提供电能的方式,在磁感应强度为0.5T的条件下,进行了不同电容充电电压下的超声速磁流体加速实验研究,并对一维定常理想分段法拉第型磁流体加速模型进行了分析.通过实验获得了不同电容充电电压下#10电极间的电压、电流、负载系数、电导率及#20电极开路电压等数据,在300, 400V电容充电电压下,气流速度分别增加11.4%和24.0%,在500V电容充电电压下气流速度减小11.1%.实验及模型分析得出不同的负载系数会使超声速磁流体处于加速或减速的不同状态,而电导率会影响注入总能量的大小,使磁流体流动的速度梯度大小发生改变.      

含源流场流动相似参数推导及其物理意义

现有的相似参数能够较好地解决无源流动的动力学相似和热力学相似问题。然而,如果流场中存在质量、动量和能量等源项,则须引入新的相似参数来指导实验的设计。首先,在连续介质假设、斯托克斯流体假设、量热完全气体假设和单相流假设的前提下,推导出了41个相似参数;然后,将之归纳整理成9个独立的相似参数,其中,3个与源项有关;最后,讨论了它们各自的物理意义。现有的单相流相似参数均可通过9个相似参数组合而来。实际应用中,可根据具体流动情况选择这9个相似参数中的某几个进行模拟。     

激波结构内流动问题的气体运动论描述

从介观Boltzmann速度分布函数理论出发,发展计及分子粘性碰撞截面与扩散碰撞截面,可描述各流域一维气体流动问题的Boltzmann简化速度分布函数方程及其气体运动论数值计算方法。通过对不同Knudsen数下非定常激波管流动及不同马赫数定常正激波结构问题数值模拟,研究分析不同流区的激波突跃变化过程以及近连续流、稀薄过渡流特有的分子输运现象,揭示不同马赫数、不同分子模型的激波内流动与传热变化规律,证实基于Bo-ltzmann模型方程的气体运动论数值计算方法用于激波结构内流动研究的准确可靠性。     

智能赋能流体力学展望

人工智能（AI）是21世纪的前沿科技,流体力学如何在智能化时代焕发青春是值得本领域研究者思考的话题。从智能赋能流体力学角度,就其研究内涵、研究内容、近期研究及难点进行了总结,并对智能流体力学未来的发展进行了展望。研究指出,流体力学计算或试验中所产生的数据是天生的大数据,如何通过深度神经网络、随机森林、强化学习等机器学习方法来利用这些数据,缓解甚至替代理论和方法层面对人脑的依赖,挖掘新的知识,成为一种新的研究范式;相关研究将涵盖流动控制方程的机器学习、湍流模型的机器学习、物理量纲分析与标度的智能化以及数值模拟方法的智能化;借助人工智能技术,发展流动信息特征提取与多源数据融合的智能化是流体力学发展的迫切需求;研究内容应至少涵盖海量数据挖掘方法以及多源气动数据的智能融合;发展数据驱动的流体力学多学科、多物理场耦合建模与控制是工程应用的迫切需求,相关工作涉及多场耦合建模、气动外形智能优化设计以及流动智能自适应控制等方面。