基于CFD高精度算法的雷电电磁场研究

雷电空间电磁场一直是电磁领域研究的热门，成熟的算法例如有限时域差分法（FDTD），传输线矩阵法（TLM）以及频域的矩量法（MoM）在计算雷电问题方面都有广泛的应用。由于计算流体力学（CFD）中的Euler方程与电磁学中的Maxwell方程有着相同的守恒形式，而且采用间断伽辽金方法（DG）已经在流场问题上得到广泛的尝试，因此引入了基于计算流体力学的DG方法来离散时域Maxwell方程，并采用网格分区并行技术加速计算，使用基于DG的圆球雷达散射截面积（RCS）算例进行测试，数值结果一致表明DG算法在求解电磁场问题上的可行性，之后通过计算一段近场雷电通道的电场分布并与解析解、某算法仿真解对比，数据基本吻合，说明该方法适合于雷电电磁场的计算。     

电大尺寸散射体的RCS计算方法研究

为了更加有效的求解电大目标散射计算问题,在避免谐振区效应情况下获得复杂目标的隐身雷达散射截面(RCS)特性,引用混合场积分方程(CFIE),在快速算法的求解迭代过程中采用共轭梯度算法(CG)的收敛技术,能够稳定的求解电大尺寸的RCS。计算和分析了金属球双站RCS和金属立方体双站RCS,并和精确计算、相关参考文献进行了比较,证明了方法的正确性,计算结果稳定,在工程实际上有较大的应用价值。     

基于CFD的电磁散射数值模拟

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组.FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格单元边界通量,时间推进采用四阶龙格-库塔法.TM和TE波极化下几种二维完全导电体的表面诱导电流密度和雷达散射截面(RCS)计算验证表明,时域有限体积法是一种高精度有效的时域方法.     

采用混合场方法计算二维介质-导体复合散射体雷达散射截面

在二维介质导体复合散射体计算中,对导体部分应用积分方程时,不论电场积分方程还是磁场积分方程,去求解导体的散射问题时,在内谐振条件下将出现解答的不唯一性或不稳定性,产生谐振伪解,给计算工作带来困难.为避免谐振伪解,对导体部分采用混合场积分方程方法结合介质部分体积分方程和矩量法,对TM入射平面波情形建立了该模型求解方程,并编程求解出了该模型雷达散射截面(RCS).     

一种计算隐身飞行器外形RCS的高精度快速算法

针对目前隐身飞行器外形雷达散射截面(RCS)难以准确计算的问题,提出了一种基于目标外形几何特征和矩量法的飞行器RCS算法.通过对矩量法阻抗矩阵元的理论分析,研究了物面感应电流随散射体表面曲率的变化规律,指出感应电流之间的耦合已成为影响隐身飞行器物面电流分布的重要因素,并且指出根据飞行器物面曲率分布可以预知强的感应电流耦合区域,利用这些强的电流耦合能够组成稀疏化的阻抗矩阵,从而实现飞行器RCS的快速求解.以金属双弧柱和典型隐身飞机外形为例,分析验证了物面曲率几何信息对计算结果精度的影响以及在提高计算效率方面的作用.数值结果表明该方法保持了与传统矩量法基本一致的计算精度,但计算时间仅为矩量法的7.2%.     

一种基于直升机毫米波雷达的高压线RCS快速计算方法

高压线一直是影响直升机特别是高速直升机飞行安全最主要的障碍物，需要全天候远距离检测高压线。相比于激光雷达和红外设备，毫米波雷达全天候能力更强，并且存在布拉格（Bragg）散射特征。本文针对现有高压线雷达截面积（RCS）计算方法计算效率不高的问题，提出结合特征模（CM）和谢尔曼-莫里森-渥德雷公式算法（SMWA）的高压线RCS计算方法，称为CM-SMWA方法。该方法将CM作为基函数，降低矩量法（MoM）中阻抗矩阵维数。利用SMWA直接求解基于CM的简化矩阵方程，进一步提升高压线RCS仿真效率，并采用提出的CM-SMWA方法进行了不同频率仿真，发现了高压线布拉格（Bragg）频率走动特征，该特征可改善高速直升机毫米波雷达高压线检测的性能。     

多层快速多极子算法的改进措施

 为精确求解散射问题,采用混合场积分方程（CFIE）、多层快速多极子算法（MLFMA）和共轭梯度算法（CG）的收敛技术。基于传统多层快速多级子算法,详细研究了二维拉格朗日插值节点数对计算精度的影响,并改进了插值方法,在不同的层采用不同的插值节点数;提出了在不同的层采用不同的精度控制来计算多级子模式数;分析了稀疏矩阵的对称性对内存使用的影响以及磁场积分方程对迭代初始值的选择。数值计算结果表明以上改进可较大幅度地提高计算精度和计算效率,同时降低内存使用,可满足复杂目标电磁散射计算要求。     

基于伴随方程和自动微分的雷达散射截面表面灵敏度计算

反隐身技术的发展对军用飞行器的隐身性能提出更高要求，针对经典电磁场伴随方法无法获得表面灵敏度，难以为优化设计提供直观指导，且梯度求解时需反复填充阻抗矩阵，当设计变量、入射角度较多时梯度求解效率下降的问题，提出了基于伴随方程和自动微分的雷达散射截面表面灵敏度计算方法，并结合基函数特点提出了表面灵敏度的稀疏存储和稀疏矩阵-矢量相乘方法，避免了直接计算表面灵敏度时计算量、存储量无法承受的问题。提出的表面灵敏度计算方法可以通过一次阻抗矩阵偏导数求解得到所有网格点的表面灵敏度，避免反复填充阻抗矩阵的问题。当入射角度改变时，求解任意数量设计变量梯度的计算量约为8次矩阵-向量乘，显著提升基于伴随方程的梯度计算效率，为作战飞机气动隐身一体化优化设计提供有力技术支撑。     

用改进MMN的MLFMA分析外形隐身的多频减缩特性(英文)

为精确高效计算多极子模式数(MMN),提出了3个控制因子,详细研究了控制因子对多层快速多极子算法(MLFMA)的积分采样点数和计算精度的影响;基于控制因子,提出一种改进措施,可在保证精度的前提下,显著提高计算效率、有效降低内存。对3种飞行器,采用改进的MLFMA,分析了多频散射特性,发现飞行器外形在不同频率区域均可影响雷达散射截面(RCS)。研究了外形隐身布局和考虑隐身的常规布局的RCS多频减缩规律,结果表明,外形隐身在谐振区和高频区具有较大的RCS减缩效果,在瑞利区仍具有较弱影响;与吸波相比,外形隐身可产生较广的多频RCS减缩。以上结果可用于飞行器在多频段或全频段的隐身设计。     

飞行器翼面RCS研究

由Ｓｔｒａｔｔｏｎ－Ｃｈｕ公式及阻抗边界条件得到的目标二维电磁散射积分方程，导出了用矩量法计算飞行器翼面雷达散射截面积（ＲＣＳ）的完整公式，对某飞行器翼面进行了曲线拟合。通过计算飞行器翼面的ＲＣＳ，对翼面的散射特性及涂敷雷达吸波材料（ＲＡＭ）抑制ＲＣＳ的效果进行分析。     

基于三维非结构混合网格的离散伴随优化方法

伴随优化方法在优化过程中不受设计变量个数的限制,有巨大的工程应用前景。基于非结构混合网格技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程、离散伴随优化方法以及自由形面变形（FFD）技术,建立了飞行器气动外形优化设计系统。离散伴随方程采用公式推导的方法直接获取,并运用LU-SGS迭代求解。通过与差分结果进行比较的方式,对通量的雅可比矩阵和目标函数敏感导数开展了确认,并对文中黏性通量项、限制器以及湍流黏性系数的近似处理方法做了分析对比,验证了近似处理方法的合理性和可行性。采用建立的优化系统,完成了ONERA M6机翼在跨声速条件下的减阻优化,并比较了有无容积约束下优化结果的差别。模拟验证结果表明,建立的飞行器气动外形优化设计系统具有较高的可靠性和有效性,可以用于三维飞行器外形的减阻优化。     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。     

飞行器气动/结构多学科延迟耦合伴随系统数值研究

基于自主研发的大规模并行结构化网格雷诺平均Navier-Stokes（RANS）求解器PMB3D以及流固耦合代码FSC3D建立了飞行器静气动弹性数值模拟技术,进一步基于并行化伴随方程求解器PADJ3D,开展了Navier-Stokes方程与结构动力学方程耦合离散伴随的推导、构造。对各个学科伴随变量进行延迟处理,进行耦合伴随系统的解耦,学科之间的影响通过右端强迫项的形式在方程中体现,通过松耦合形式进行各个学科方程右端项数据传递,各个学科的伴随方程一定程度上能够相对独立,进一步实现了基于LDLT方法的结构伴随方程的高效求解;对典型客机柔性机翼进行梯度信息求解,并与考虑气动弹性影响的差分结果进行对比分析。数值模拟结果表明,延迟耦合伴随形式更有利于保持原有程序结构形式以及程序模块化,梯度计算精度完全满足优化设计需要,能够为柔性机翼飞行器气动/结构多学科优化设计提供研究基础与技术平台。     

一种基于共轭方程法求解黏性反问题的简化方法

 对于给定压力分布的黏性气动反问题,考虑到壁面微小扰动造成的压力变化主要由势流作用引起,因此可以简化用以获得目标函数对设计变量敏感性导数的共轭方程。将黏性流场插值到粗网格中作为彻体力模型方程的解,则其相应的共轭方程将以简单的源项取代原方程中复杂的黏性项。由于在粗网格中求解,网格数减少,同时收敛速度加快,简化的共轭方程计算时间可以减少到黏性方程的十分之一。典型的算例结果表明,对于附着的边界层流动简化方法计算得到的敏感性导数具有较高的精度,能够有效完成反问题设计且减少总的计算耗时。     

Shape preserving topology optimization for structural radar cross section control

The purpose of this paper is to present a shape preserving topology optimization method to prevent the adverse effects of the mechanical deformation on the Radar Cross Section(RCS).The optimization will suppress the variation of RCS on the perfect conductor surface by structural design. On the one hand, the physical optics method is utilized to calculate the structural RCS,which is based on the surface displacement field obtained from the finite element analysis of the structure. The correspondi...     

基于共轭方程法的跨声速机翼阻力优化设计

机翼的气动特性从根本上决定了飞机巡航状态下的气动特性,经过良好设计的机翼会明显地提升全机的气动特性。连续共轭方程方法由于其求解梯度的计算量与设计变量数目无关,可以对复杂构型进行有效的优化设计。本文采用连续共轭方程方法对粘性条件下的机翼气动外形进行了优化设计。采用有限体积法进行流动控制方程和共轭方程的数值空间离散,多步Runge-Kutta方法进行时间推进,对于某三维机翼进行了有效的气动优化设计。     

基于Kriging模型梯度解析解的改进一次二阶矩方法

改进一次二阶矩（AFOSM）法是一种基于功能函数梯度的结构可靠性分析方法，鉴于其对隐式函数的梯度较难求解，提出了一种基于Kriging模型梯度解析解的AFOSM方法，利用Kriging代理模型的解析表达式推导得到功能函数对输入变量的梯度解析解，为AFOSM中设计点的确定提供高精度的梯度信息。通过Kriging与AFOSM的结合，很好地解决了基于有限元模型的隐式情况下梯度计算量相当大、可靠性分析难的问题。数值与工程算例验证了所提Kriging梯度解析解的较高精确性，同时验证了所提基于Kriging解析解的AFOSM结构可靠性分析方法的正确性与较高精度。     

基于控制理论的Euler方程翼型减阻优化设计

在Jameson的控制论气动优化设计思想下，应用Euler方程研究了翼型的反设计和减阻问题。设计过程中的梯度是通过求解一个伴随偏微分方程而得到的，每个设计迭代只需求解一次Euler方程和一次伴随方,一与设计变量数无关。在具体数值执行中：①利用分部积分将目标函数变分的计算转化成了类似于计算Euler方程残值的形式，节省了机器时间；②根据控制理论的要求，将减阻问题转化成了相应地修改伴随方程的物面边界条件和目标函数的变分表达，使问题得到了简化；③利用特征不变量分析法，处理了伴承方程的物面和远场边界条件。设计算例证明了本文方法可靠性好、收敛快、大大节约设计时间。