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.      

集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响

为了研究集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响,在分析其工作机理的基础上采用化学非平衡流动和稳态电磁流体电磁场模型对不同集气腔总压下推力器工作过程进行了数值模拟.流体力学方程组和电磁场方程考虑了多种流动机理及电磁场与高温电离气体的相互作用,化学动力学模型考虑了各种碰撞反应.采用二阶精度NND格式求解流体力学方程组,采用有限速率化学反应模型计算组分生成率,采用交替方向隐式(ADI)超松弛迭代法求解电磁场离散方程.给出了不同集气腔总压下推力器内部参数分布及其宏观性能.研究表明,集气腔总压对推力器工作过程具有多方面的影响,在保证电弧稳定的情况下,适当提高集气腔总压可同时提高比冲和推进效率.     

嵌入式大气数据传感系统测压孔布局研究CSCD

嵌人式大气数据传感系统是一种依靠嵌入在飞行器前端的压力传感器阵列来测量飞行器表面的压力分布,并由此压力分布通过求解非线性方程组间接获得飞行参数的先进飞行数据传感系统。针对嵌入式大气数据传感系统测压孔布局进行研究,通过三点法对各种布局的数据解算收敛性进行了分析,并在白噪声干扰下对各种布局下的解算精度进行了验证。     

低速流预处理Roe格式中的数值粘性

使用Roe格式计算低马赫数流动,需采用预处理技术.在预处理技术中,需要选择适合的预处理参数,但有时很难找到,因而得不到合理的计算结果.通过数值实验,发现使用预处理方法时,格式的数值粘性对低速流动的模拟有显著的影响.提出了在预处理Roe格式中加入可调参数,用以控制数值粘性对计算结果的影响.带有可调节数值粘性参数的预处理Roe格式的数值粘性更接近低速流动的真实耗散,反映了低速流动的真实物理现象.对方腔流动和圆柱绕流的低雷诺数定常流动所做的数值实验,得到了比较满意的结果,表明这一改进是有效的.对同一低雷诺数不同低马赫数的定常圆柱绕流所做的数值实验,均得到了满意的结果,表明了方法的适用性.     

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。     

Mars Express长期火星大气研究取得新发现

ESA网站2021年7月23日报道,欧俄科学家利用火星快车(Mars Express)上搭载的火星大气光谱学表征研究(SPICAM)仪器在4个火星年(7.5个地球年)采集的观测数据,证实火星大气中臭氧和水蒸气呈负相关关系,研究结果有助于更好地了解地球大气化学过程.相关论文发表在Journal of Geo-physical Research:Planets上.     

带约束多体系统Lyapunov指数的数值计算方法

应用第1类Lagrange方程建立的带约束多体系统动力学方程为非线性微分-代数方程组.利用增广法,将其转化成了常微分方程组,并表示成矩阵形式.根据方程的特点,给出了方程的Jacobi矩阵的具体表达式,提高了计算效率.在此基础上,给出了Lyapunov指数的数值计算方法,并通过对具体的树形和非树形多体系统进行Lyapunov指数数值计算,结合相图和Poincare映射对系统的动力学特性进行了分析,表明了该方法的可行性和有效性.      

大气潮汐的经典理论及有关现代模式的发展

按照历史发展, 回顾了从无耗无风背景下线性化的大气潮汐方程组出发得到一个二维定态变量可分离的基本偏微分方程及其全球Hough函数波模解的经典理论; 介绍了主要由Forbes和Hagan发展起来的在真实有耗有风背景下线性化的本质上仍是二维定态, 但纬度和高度变量不可分离的现代数值模式GSWM; 概述了近年来针对中高层大气的GCM (例如TIME-GCM, MUAM, CMAM和WACCM) 来研究潮汐非线性及非迁移潮汐等的发展趋势. 在融合理解的基础上对各模式的特点和模式间的差异进行了适当分析, 从中可以看出,半个世纪以来人们在从第一原理出发试图揭示全球大气潮汐的真实结构特征和长短期变化机制等方面进行了持续的努力, 这种努力又是与从利用地基雷达到卫星搭载仪器观测大气(特别是MLT区域的风场和温度场)的发展密不可分的.      

重力波对中间层和低热层大气环流的影响

利用β通道准地转近似大气平均运动方程组,采用重力波线性饱和参量化方法,定性地研究大气重力 波对中间层和低热层大气环流的作用.模拟计算得到,大气重力波对平均东西风速可产生100m·s-1／d左右的作 用力和产生120 m2/s的湍流扩散,这些作用平衡了Coriolis扭力,导致大气的平均东西风速大大偏离辐射平衡 风场,中层顶附近的平均东西风速在冬季(夏季)甚至反转为东风(西风).平均东西风速计算结果与冬季和夏季 中频雷达东西风速观测值和大气模式剖面等大致一致.     

气动谐振管加热机理数值研究

放置在高速喷流中的半开口气动谐振管在一定的条件下会出现加热现象.针对这一现象,利用数值计算方法计算了一维非定常非线性Euler方程组,采用MacCormark格式,对不同管口条件下谐振管内的振荡过程进行了数值研究.研究发现,当管口压力变化频率处在谐振管的线性谐振频率附近时,管内形成的激波以及激波的反射增强导致了谐振管端壁区域明显的加热效果.对不同的驱动气体和不同的谐振管型式(圆柱形和圆锥形)的数值研究也给出了有价值的结论.研究结果与实验事实或现象是相吻合的.      

含气相细节化学反应的二硝酰胺铵燃烧模型

为了研究二硝酰胺铵ADN(Ammonium DiNitramide)燃烧中的细节物理化学过程,建立了一个包含细节气相化学反应的ADN燃烧数学计算模型.该模型基于总连续方程,组元连续方程及能量守恒方程而建立,并运用了有限速率化学动力学原理,最后引入多组元系统状态方程以封闭方程组.此外,该燃烧模型还成功应用了包含34种组元和165个细节气相化学反应的化学动力学方案.使用该模型对0.3MPa下ADN燃烧气相组元摩尔分数与火焰温度分布进行预测,计算结果与试验数据相当吻合,说明该燃烧能够准确描述ADN气相燃烧波结构.     

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。     

一种高效的计算卫星轨道寿命的方法

关于在大气阻力作用下卫星生存寿命的估计 ,提出了一种高效的数值方法 ,称为微分 -积分法。它的实质是以轨道要素的平均变化率为基础的微分方程 ,而方程的右端包含定积分。与传统方法比较验证了此新方法的正确性 ,并且显示了它的极高效率。在诸如空间碎片减缓这种需要非常大量的计算卫星寿命的问题中 ,新方法的价值得到充分体现。     

板料成形数值模拟接触搜索模型的研究

基于参数曲面描述法和有限元网格描述法,提出模具几何形状模型的曲面单元描述法,采用了逐级更新的接触搜索算法,推导出求交迭代初值优化选择方案及满足无穿透原理的接触判断准则,并建立了板料成形数值模拟接触搜索模型,此模型不仅改善了数值模拟的收敛性,而且提高了计算效率和稳定性.     

临近空间太阳紫外辐射环境模拟与地区差异

太阳紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一,对其在中层大气的辐射特性进行研究,是研究临近空间大气成分与密度变化、光化学反应以及动力学过程的重要基础。依托“鸿鹄”临近空间探测专项计划,利用MODTRAN5辐射传输模型及卫星实测数据,模拟并对比中国11个主要地形区上空临近空间（20~50 km）紫外辐射（200~400 nm）垂直分布和季节演变的异同,计算了臭氧含量、太阳天顶角和日地距离等关键因素对辐射强度的影响。结果表明,各地形区的辐射流量垂直分布廓线和年较差垂直分布廓线较为一致,在地理位置上毗邻的地区辐射特性及季节演变较为接近,但在太阳紫外的不同波段之间区别较大。研究成果为临近空间探测实验提供了数据支撑,为大气反演等相关领域提供参考。      

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

空间机器人动力学建模与模型验证

建立带任意节机械臂的空间机器人动力学模型,并验证了模型的正确性．采用Kane方程建立了各体间转铰具有三自由度的空间多体系统的动力学模型,利用投影算子将所建立的模型退化为各节机械臂间具有单自由度转铰连接的空间机器人动力学模型,依据动力学三大基本定理,即动量定理、动量矩定理、动能定理设计了模型验证方案,通过数学仿真验证了所建立模型的正确性．     

Trajectory tracking control for underactuated stratospheric airship

Stratospheric airship is a new kind of aerospace system which has attracted worldwide developing interests for its broad application prospects. Based on the trajectory linearization control (TLC) theory, a novel trajectory tracking control method for an underactuated stratospheric airship is presented in this paper. Firstly, the TLC theory is described sketchily, and the dynamic model of the stratospheric airship is introduced with kinematics and dynamics equations. Then, the trajectory tracking control strategy is deduced in detail. The designed control system possesses a cascaded structure which consists of desired attitude calculation, position control loop and attitude control loop. Two sub-loops are designed for the position and attitude control loops, respectively, including the kinematics control loop and dynamics control loop. Stability analysis shows that the controlled closed-loop system is exponentially stable. Finally, simulation results for the stratospheric airship to track typical trajectories are illustrated to verify effectiveness of the proposed approach.     

三维球坐标系下波包非线性传播过程的一种数值求解方法

采用全隐欧拉（FICE）格式，将三维坐标系下的大气基本运动方程作为控制方程，建立起了三维球坐标系下可压大气中的全非线性数值模式；对纬向边界也进行了合理的处理，并对该模式进行了数值检验，计算结果显示出重力波波包在大气中非线性传播的三维图像：波包整体向上传播，波相关扰动速度随高度增加而增长。     

绳驱空间机械臂动力学建模与仿真效率分析

针对一种适用于在轨服务精细操作的绳驱空间机械臂进行讨论。建立该机械臂的动力学模型，将机械臂视为链式多刚体系统，认为绳索满足线弹性假设并忽略绳索的质量，利用空间算子代数方法推导了机械臂的动力学方程。分析动力学模型的数值仿真效率，求解出机械臂微振动的振动频率，将最高阶振动频率作为特征系数代入到微分方程数值算法的稳定区域，计算得到仿真步长的临界值；对动力学模型中的绳索模型进行改进，通过增大仿真时间步长临界值来提高动力学模型的数值仿真效率。仿真算例表明，改进后动力学模型的仿真效率最多可提高200多倍，并可以实现实时仿真。