广义Stokes问题的区域分裂解法及其事后误差估算

本文的主要目的在于将Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子技术应用于广义Ｓｔｏｋｅｓ问题的非匹配网格上的区域分裂解法中;这种方法非常适用于有限元空间近似。Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子是在分段常数函数的空间中近似的。同时,基于求解当地问题,我们还构造了离散近似的事后误差估算器,并基于此对网格进行了自适应处理。数值实验的结果验证了本文所发展的方法。     

目标函数误差估算及网格自适应处理

发展了一种基于目标函数误差估算的网格自适应准则,进而通过网格自适应处理提高目标函数计算的效率和准确性。首先描述了目标函数的误差估算及修正的方法,该方法通过伴随方程将原方程的残值误差与目标函数联系起来。然后,基于误差估算建立网格自适应准则,以减少目标函数修正后的剩余误差,提高目标函数计算结果的准确性,并将方法进一步发展至多目标问题。最后将该准则应用于Euler方程控制的NACA0012翼型无粘可压流动的网格自适应模拟。数值计算成功地捕获了与升力、阻力和力矩等目标函数相关的特征流动区域,计算出符合指定精度要求的目标函数值,验证了本文所发展的方法。     

一种分裂形式CPR格式在欠解析流动中的稳定性研究

基于重构的修正过程（correction procedure via reconstruction, CPR）方法是一种适用于非结构网格、紧致高效的高阶方法，但在离散非线性对流项时容易因为混淆误差的累积而出现数值不稳定。本文研究了基于LG (Legendre-Gauss)点分裂形式的CPR方法在欠解析流动中的稳定性，并将其与子单元限制技术结合，求解含激波的欠解析流动问题。结果表明：经过边界通量修正的LG点分裂形式CPR格式能够满足离散守恒律，且与子单元限制相结合后守恒律依然成立；在无激波的欠解析流动问题中，相比于散度形式CPR格式，分裂形式明显提高了计算的稳定性，而且比使用LGL(Legendre-Gauss-Lobatto)点的分裂形式CPR格式具有更小的数值误差；在含激波的欠解析流动求解中，相比基于LGL点的间断伽辽金谱元法子单元限制策略，基于LG点的分裂形式CPR格式子单元限制策略具有更高的分辨率和更小的振荡。     

求解多维欧拉方程的二阶旋转输运格式

提出了一个基于旋转近似Riemann求解器的二阶精度迎风型有限体积方法.不同于"网格相关"(Gridaligned)的有限体积方法或者维数分裂的有限差分方法,本格式在求解Riemann问题时不依赖网格的方向,而是沿具有一定的物理意义的两个方向(称为迎风方向).我们发现当迎风方向取为控制体界面两侧速度差矢量方向(及与之正交的方向)时,该格式能够完全消除基于Riemann求解器的通量差分裂格式存在的激波不稳定或者所谓"红斑"(carbuncle)现象.为了提高格式的时间和空间精度,我们通过在控制体界面处求解线化的广义Riemann问题的方法体现输运过程对通量计算的影响.这种方案,使得我们有可能以此为基础,构造真正多维的有限体积型迎风格式.     

适用于涡激振荡问题研究的并行高精度方法

提出了一种用于研究大振幅及物体间小间距等极端情况下涡激振荡（VIV）问题的高精度方法。该方法针对三角形/四边形非结构混合网格，采用高精度谱差分（SD）格式对Navier-Stokes方程进行空间离散。通过引入非均匀滑移网格方法，将计算域分割成多个互相不重合的子区域，从而实现了子区域网格的独立变形，子区域之间通过粘接元进行信息传递。采用全耦合方法精确求解VIV问题中流体和固体间的相互作用。通过研究并行策略以及使用消息传递接口，实现了求解器的并行计算能力。数值模拟表明：对于无黏和有黏流动问题，该方法均能保持SD方法的高精度特性；对于动网格下的定常均匀来流，求解器能够做到自由流保持；单个圆柱VIV问题仿真与现有文献结果符合较好，验证了方法的可靠性；对于流场变形情况比较复杂的涡激振荡问题，求解器可以有效实现网格变形，并具有理想的并行效率。     

两种跨声速气动弹性问题分析研究

在非结构运动网格基础上,采用中心有限体积法进行空间离散和双时间方法进行时间推进求解非定常欧拉方程.通过与气动力方程的联立求解,在时域内用四步龙格-库塔方法求解结构运动方程.分析和研究了二维嗡鸣和三维机翼颤振这两种跨声速非线性气动弹性问题.二维嗡鸣问题的研究考虑了翼面-舵面系统的缝隙间网格运动、缝隙对嗡鸣的影响和扰流片对嗡鸣的抑制.耦合多自由度Lagrange结构运动方程数值模拟了三维机翼的颤振问题.通过跨声速标模算例AGARD445.6机翼的颤振计算,计算的颤振临界速度与实验值有5%左右的误差,验证本方法的正确性.由于本方法是在对外形具有良好普适性的非结构动网格基础上完成的,具有良好的工程实践价值.     

基于伴随方程的网格自适应及误差修正

基于流场方程的离散伴随优化理论和三维非结构网格,建立了网格自适应技术和目标函数误差修正方法。详细研究了用流动伴随变量进行目标函数的误差估计和修正技术,构造了适用于格心格式有限体积法的流场变量插值技术和网格单元剖分判据,初步实现了网格物面投影和空间单元优化,发展了适用于有限体积法的整套网格自适应方法。对NACA0012翼型和ONERA-M6机翼绕流进行了自适应数值模拟,并对升、阻力等目标函数进行了误差修正。数值结果表明,本文自适应方法能正确地捕捉到影响目标函数计算精度的敏感区域,网格自适应和误差修正两项技术显著提高了升、阻力等目标函数的计算精度。     

无网格方法关于导数计算的程序验证

为了提高无网格方法对空间导数的数值计算能力，提出并论证了新的适用于直角坐标系、柱坐标系和球坐标系的空间导数无网格算法。基于数值解与理论解的对比分析，对数值误差和收敛性进行了后验评估。评估结果表明:该算法对函数和导数的估计均为2阶精度，支撑域尺度对数值误差的大小有一定影响，但不影响数值计算的精度等级。在离散尺度h为0.01的条件下，对所选函数及其导数的数值计算相对误差不大于0.65%。      

结构/直角切割网格下时域有限体积法在计算电磁中的应用研究

 采用有限体积法直接求解时域麦克斯韦方程组，研究了二维圆柱、翼型和三维球体、立方体、双球体等典型完全导电目标的电磁散射问题。空间离散使用近似黎曼解构建网格通量，并针对二维结构网格、三维自适应直角切割网格分别给出重构方法，时间方向采用二步龙格库塔法。计算与理论、实验或文献结果符合良好。     

局部网格加密方法计算不可压N—S方程

本文发展了二维非定常不可压N-S方程的局部网格加密方法(LMR):需加密区域预先指定;仅对空间方向加密,分粗细二层网格,细网格覆盖在粗网格上;粗和细网格上分别用显式和隐式差分格式。结合压力修正法类的余量型差分格式,恰当地处理了粗细网格之间的信息传递,使得粗细网格交接面上质量守恒,即满足连续性条件。粗网格通过插值给细网格边界值影响细网格;细网格通过粗细网格压力Poisson方程耦合求解影响粗网格,并且由于压力Poisson方程从动量方程形成,在细网格覆盖下的粗网格上,压力Poisson方程是细网格方程的组合,从而耦合求解时粗细网格压力Poisson方程不需迭代。 本文中计算了二维方腔内的自然对流模型问题,Rayleigh数是10~6。粗网格用显式ULWC格式,细网格用隐式余量型近似因式分解格式。Poisson方程用快速直接算法PO1STG(在FISHPACK中)。粗网格距△=1/16,细网格距△=1/64,加密1/4区域,计算到定常局部网格加密方法所需CPU时间比同等均匀网格(△=1/64)节约一倍以上。     

基于配点法的轨道在线优化方法研究

针对传统轨道优化方法无法应用于轨道在线优化的问题,提出了三阶辛普森配点法结合乘子法求解轨道在线优化问题的方法.首先建立变轨的最优化模型;然后,用三阶辛普森配点法将该最优控制问题转化为受约束的非线性规划问题;最后,采用增广拉格朗日乘子法对转化得来的受约束的非线性规划问题进行求解.仿真结果表明,所提出的方法可以得到高精度的轨道优化结果,并且对状态量和控制量的初值选取不敏感,且仿真具有实时性,计算速度快,可以达到在线进行轨道优化的要求.     

Optimum Filters for Image Registration

Two-dimensional cross-correlation techniques are applied to the problem of image registration under the assumption of small geometric distortion. Optimum filter functions for use with arbitrary window functions are derived for two performance measures of interest: peak-to-sidelobe ratio, and mean- square registration error; the latter is examined in terms of the contribution due to distortion and the contribution due to noise. A generalized Lagrange multiplier approach is used to derive at least approximate ate solutions to the case where the images are modeled as random processes and to the case where the images are assumed to be deterministic.     

平面热应力问题的组合杂交有限元方法

利用组合变分原理可以增强杂交元方法解的稳定性,建立了平面热应力问题的基于区域分解的组合变分原理.与弹性力学问题相比,右端项改变;并且提出组合杂交元来离散新的变分原理、形成刚度矩阵;进而引入能量协调条件,不仅简化了变分原理及其相应的刚度矩阵,而且减少有限元解的误差.数值结果表明,能量协调的4节点组合杂交元数值性能最佳:实现粗网格高精度,对网格畸变不敏感且可以克服闭锁现象.     

大范围收敛的摄动Lambert问题新型解法:拟线性化-局部变分迭代法

研究实时、高效、稳定性强的高性能空间轨道计算方法对于中国未来航天工程具有重大应用价值。针对强非线性系统的多维两点边值问题,提出了一种拟线性化-局部变分迭代法（QL-LVIM）,通过拟线性化（QL）思想,将非线性两点边值问题转化为一系列具有一定迭代格式,并且成对出现的初值问题,进而通过局部变分迭代法（LVIM）对其进行求解。利用拟线性化的大范围收敛特性和局部变分迭代法的快收敛、高精度特性,该方法能够在较大的时间和空间尺度下快速精确获得摄动Lambert问题的初速度和转移轨道,其收敛域远大于传统的牛顿打靶法,为航天器轨道转移提供了一种简便高效、稳定性强的新型计算方法。在不同轨道情形下,与几类参考方法对比,结果表明本方法能够在计算效率方面实现大幅提升,并且能够在大范围内实现快速收敛。方法的有效性在地-月系三体问题中得到了进一步验证。     

Optimum Windows for Image Registration

Two-dimensional cross-correlation techniques are applied to the problem of image registration under the assumption of small geometric distortion. Optimum window functions are derived for two performance measures of interest: peak-to-sidelobe ratio and mean-square registration error. The latter is examined in terms of the contribution caused by noise and the contribution caused by geometric distortion. A generalized Lagrange multiplier approach is used to derive approximate solutions assuming random images. The case of Gaussian autocorrelation functions is examined in detail. Results of applying the theoretically derived window functions to real data are presented, showing significant improvement in correlator performance.     

基于非线性规划的空空导弹水平转弯轨迹优化

基于空空导弹的质点动力学方程建立了轨迹优化模型,并根据非线性规划优化算法的特点,对优化模型中的积分变量进行替换。采用一种改进的多重打靶法将轨迹优化问题转化为约束非线性规划问题,在此基础上采用广义乘子法和变尺度法求解满足各种约束条件的最优转弯轨迹。仿真结果表明,该轨迹优化方法实现了导弹在约束条件下的最短时间转弯,且所得结果符合运动学规律,对于离轴发射以及越肩发射的转弯问题具有一定意义。     

旋翼三维非定常跨音速绕流的数值模拟

 利用小扰动位势方程，用有限差分方法求解了旋翼跨音速流场。导出了严格的三维非定常位势方程远场无反射边界条件，并成功地用于数值计算中，缩小了物理求解域的空间尺度。采用了贴体坐标和网格加密技术，以得到合理的非均匀网格分布。应用较少的网格点数成功地计算了无升力情况下旋翼的三维非定常亚、跨音速绕流流场，得到了与实验结果符合良好的数值解