基于POD和代理模型的热气防冰性能预测方法

大型客机机翼、短舱多采用热气防冰作为主要防冰策略。为了缩短热气防冰系统优化设计周期，提出了基于本征正交分解和代理模型的防冰性能快速预测方法。采用本征正交分解对数值仿真积累的温度和溢流水快照进行特征分析，选取包含绝大部分样本特征的基模态线性拟合所有快照；基于支持向量机回归方法建立笛形管结构参数与线性拟合系数间的代理模型，实现对热气防冰蒙皮外表面温度分布和溢流水分布的快速预测。针对三维缝翼笛形管热气防冰系统开展的验证表明：该方法对防冰表面温度分布的预测效果较好，并能够较为准确地预测水滴撞击区域内的溢流水分布；建立的预测方法计算成本较数值计算方法大幅降低，对于热气防冰系统优化设计工作具有重要意义。     

基于POD和DMD方法的跨声速抖振模态分析

跨声速抖振现象是由于非定常跨声速流动中激波的自激振荡而引起的结构强迫振荡,这种现象在跨声速飞行器中普遍存在,对飞机的结构强度和疲劳寿命有不利影响。基于模态分解的分析方法是进一步发展抖振控制手段的有效工具。本文通过两类典型模态分析方法（本征正交分解（POD）和动态模态分解（DMD））对OAT15A翼型的跨声速抖振现象进行分析,通过对模态频率、翼面压力分布、流场重构误差等方面的研究,将两种模态分解方法进行对比。发现基于频率特征的DMD方法能够准确捕捉抖振的临界稳定特征和抖振主频的典型模态,同时能够更准确反映流场变量在激波间断附近随时间的变化过程;而POD方法尽管在流场重构时具有较小的总体误差,但对激波附近压强随时间的变化历程拟合较差。     

进气道激波串振荡的模态分解及快速预测

为研究隔离段自激振荡现象,采用2阶时间和空间精度、非结构网格、剪切应力输运(SST) k -ω湍流模型有限体积法程序对二元进气道在高反压下的非定常特性进行数值模拟,成功捕捉到激波串自激振荡现象,在此基础上利用本征正交分解(POD)和动力学模态分解(DMD)方法对其进行分析。结果表明:该自激振荡是低频主导、多频耦合的复杂振荡现象;基于本征正交分解和动力学模态分解构建的预测模型均能准确快速地预测出非定常流场的演变特性,预测误差小于0.2%,前者耗时为0.22 s,后者耗时为0.05 s。      

基于两层POD和BPNN的翼型反设计方法

翼型优化过程需要大量的 CFD 分析,计算量大、耗时长。本文发展基于本征正交分解（POD）和反向传播神经网络（BPNN）的翼型反设计方法,该方法的优化过程如下：首先,通过 Hicks-Henne 参数化,在设计空间中构造翼型外形的样本库,并利用 Xfoil/Fluent 对样本翼型的流场进行求解;然后,对翼面压力系数和几何外形分别建立 POD 模型,即两层 POD 模型,并得到对应的基模态系数;最后,使用 BPNN 建立从压力系数的基模态系数到几何外形的基模态系数的映射,实现在给定压力系数下对几何外形的快速预测。通过算例分析,结果表明：在亚/跨声速状态,基于 200 个样本训练所得的两层 POD+BPNN 模型可以实现对具有目标压力系数分布的翼型的预测,其精度满足翼型反设计要求。     

基于POD-RBFN降阶模型的串列叶栅流场预测

通过传统实验或CFD 手段获取流场信息的方法往往需要耗费大量资源或时间,这在需要快速获取大量流场信息时产生的成本是无法接受的,发展比传统CFD 更快速的流场预测方法具有重要意义。采用本征正交分解（POD）方法对样本流场进行模态分解,提取流场的主导模态;而后采用径向基函数神经网络（RBFN）响应POD 基函数的系数,实现流场降阶预测模型的构建,并在模型中采用基于函数响应偏差的自适应抽样方法;通过某串列叶栅非定常流场数据对预测模型进行验证。结果表明：本文构建的POD-RBFN 混合模型可以快速准确地预测出串列叶栅的流场参数分布;与静态采样相比,本文采用的自适应采样方法在采样效率上表现出明显优势,同样重构精度所需的样本数降低了25% 左右。     

基于代理模型方法的翼型优化设计

提出了基于代理模型的两步优化方法,用于翼型在黏性流场中气动外形的优化设计.第一步优化使用基于代理模型的遗传算法(GA)获得全局最优解的大致范围.以本征正交分解(POD)方法作为第一步优化中气动力计算的代理模型方法,降低遗传算法的计算量,并对其采样解的生成方法进行改进,提高了计算精度;第二步优化使用基于NavierSto...     

基于本征正交分解和代理模型的高超声速气动热模型降阶研究

气动热弹性分析是高超声速飞行器设计的关键技术之一。高超声速飞行器气动热的准确快速预测是气动热弹性分析的重要前提。针对当前气动加热工程计算、数值计算和实验研究均不能很好满足设计要求的问题,采用本征正交分解(POD)与代理模型(Surrogate)技术结合的模型降阶(POD-Surrogate)方法,建立了一种快速高效的高超声速气动热降阶模型框架。针对典型高超声速三维翼面气动热预测研究结果表明:当保留的POD基模态个数大于20时,PODKriging方法和POD-RBF(Radial Basis Function)方法的降阶模型得到的翼面温度分布与计算流体力学(CFD)计算温度L∞平均误差分别达到6%和14%,相对均方根误差(NRMSE)平均误差分别达到4%和12%,继续增加POD的基模态并不能提高降阶模型的预测精度;针对高超声速机翼气动热计算,POD-Kriging方法比POD-RBF方法具有更高的精度;针对典型的高超声速三维翼面气动热预测表明:基于POD-Surrogate方法的气动热降阶模型具有较高的精度和效率。     

高超声速乘波体扩容设计及流场快速预测

为发展一种兼具乘波体高升阻比和升力体高容积率的气动设计与预测方法,开展了3个方面的研究工作。基于升力体和乘波体融合设计理念,提出了一种大容积率、高升阻比的乘波前体的扩容设计方法。对扩容设计的乘波前体进行了数值模拟,获得了典型设计参数对前体容积率、升阻比等气动性能参数的影响规律。基于本征正交分解理论和径向基函数建立了高超声速乘波前体流场结构和气动性能参数的快速预测模型,并对扩容设计的乘波前体流场开展了快速预测研究。研究表明:相比于未扩容之前,高度为5、10 mm时,容积增加8.00%和15.00%;基于本征正交分解理论的快速预测方法可精确、快速地获得不同几何设计参数下乘波前体的流场,预测误差不高于2.00%。      

基于POD-BPNN的热启动策略及其在气动代理优化中的应用

传统气动优化设计需要大量CFD 分析,而代理优化（SBO）方法能够有效降低CFD 分析次数,但该方法并没有改变单个CFD 分析时间。提出一种基于本征正交分解-反向传播神经网络（POD-BPNN）模型的热启动策略,并应用于气动代理优化。使用POD-BPNN 模型对SBO 中的初始样本建立从几何设计变量到流场数据的预测模型...     

定日镜表面风压的重构与预测

在利用风洞试验研究结构表面风压时,测点数量往往不能满足结构计算要求,为了得到未布置测点处的风压时程,需要进行插值预测。文章结合风洞试验同步采集到的风压时程数据,利用本征正交分解(POD)技术分析了定日镜表面风场分布特点;根据风压相关系数矩阵经POD分解后成为时间主坐标与空间本征向量这一特点,编制了Matlab程序,实现其与Surfer软件接口,选取距离反比法、三角形线性插值法和克里金法(Kriging)等不同插值方法对本征向量进行空间插值;研究了参与模态阶数对重构风压序列精度的影响,并计算了预测点风压时间序列。结果表明:随着参与重构的模态数量增加,重构与测量风压序列逐渐接近;在三种插值预测方法中三角形线性插值法和克里金法预测效果优于距离反比法。     

Stationary flow fields prediction of variable physical domain based on proper orthogonal decomposition and kriging surrogate model

In this paper a new flow field prediction method which is independent of the governing equations, is developed to predict stationary flow fields of variable physical domain. Predicted flow fields come from linear superposition of selected basis modes generated by proper orthogonal decomposition(POD). Instead of traditional projection methods, kriging surrogate model is used to calculate the superposition coefficients through building approximate function relationships between profile geometry parameters of physical domain and these coefficients. In this context,the problem which troubles the traditional POD-projection method due to viscosity and compressibility has been avoided in the whole process. Moreover, there are no constraints for the inner product form, so two forms of simple ones are applied to improving computational efficiency and cope with variable physical domain problem. An iterative algorithm is developed to determine how many basis modes ranking front should be used in the prediction. Testing results prove the feasibility of this new method for subsonic flow field, but also prove that it is not proper for transonic flow field because of the poor predicted shock waves.     

High-speed unsteady flows past two-body configurations

This paper presents a detailed investigation of unsteady supersonic flows around a typical two-body configuration, which consists of a capsule and a canopy. The cases with different trailing distances between the capsule and canopy are simulated. The objective of this study is to examine the detailed effects of trailing distance on the flow fields and analyze the flow physics of the different flow modes around the parachute-like two-body model. The computational results show unsteady pulsating flow fields in the small trailing distance cases and are in reasonable agreement with the experimental data. As the trailing distance increases, this unsteady flow mode takes different forms along with the wake/shock and shock/shock interactions, and then gradually fades away and transits to oscillate mode, which is very different from the former. As the trailing distance keeps increasing, only the capsule wake/canopy shock interaction is present in the flow field around the two-body model, which reveals that the unsteady capsule shock/canopy shock interaction is a key mechanism for the pulsation mode.     

轴对称拉瓦尔喷管流场分析

采用一维管流理论分析了轴对称拉瓦尔喷管典型工作状态,结合理论分析对喷管流场进行CFD仿真计算。经研究表明：（1）结合理论分析的流场初始化、以及FMG和外推计算方法,CFD计算效率明显提高;（2）不同拉瓦尔喷管工作状态,需采取不同的壁面函数法来处理近壁区;（3）一维管流理论分析中,将管内强激波简化为正激波的常规做法,计算误差较大,不尽合理。     

Flow characteristics around airfoils near transonic buffet onset conditions

In transonic flow, buffet is a phenomenon of flow instability caused by shock wave/boundary layer interaction and flow separation. The phenomenon is common in transonic flow, and it has serious impact on the structural strength and fatigue life of aircraft. In this paper, three typical airfoils: the supercritical OAT15A, the high-speed symmetrical NACA64A010, and the thin, transonic/supersonic NACA64A204 are selected as the research objects. The flow fields of these airfoils under pre-buffet and buffet onset conditions are simulated by Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) method, and the mode analysis of numerical results is carried out by Dynamic Mode Decomposition (DMD). Qualitative and quantitative analysis of the shock wave motion, shock wave intensity, shock foot bubble and trailing edge separation, and pressure coefficient fluctuation were performed to attain deep insight of transonic buffet flow features of different airfoils near buffet onset conditions. The results of DMD analysis show that the energy proportion of the steady mode of these airfoils decreases dramatically when approaching the buffet onset angle of attack, while the growth rate of the primary mode increases inversely. It was found that at the onset of buffet, there exist different degrees of merging behavior between shock foot bubble and trailing edge separation during one buffet cycle, and the instability of shock wave and separation induced shear layer are closely related to the merging behavior.     

非等强度多道冲击波作用下空泡溃灭机制分析

航空航天、生物医学等领域均存在冲击波与空泡作用问题,冲击波尤其是多道冲击波作用下空泡溃灭包含着复杂的多相瞬变行为与物理现象。基于自主搭建的可压缩多相流并行数值平台,对液体中单一/多道冲击波与空泡的作用过程进行了数值模拟。通过对冲击波作用下空泡内波系性质,以及多道冲击波与空泡作用后的系列反射波系在液体中的相互作用过程进行详细解析,分析了不同冲击波作用下空泡的形变演化过程,探究了空泡的溃灭机制与特性。研究发现,相较于单一冲击波的作用,多道冲击波作用下空泡内部及周围液体流场中的波系结构更为复杂,然而无论是单一冲击波或是多道冲击波工况,其最终诱发的空泡溃灭形态均十分相似。而且,当空泡发生溃灭前所受到多道冲击波的总强度与单一冲击波强度相等时,空泡的溃灭波强度也十分相近,为多道冲击波与空泡作用效果的定量化评估提供了理论基础和依据。     

基于高阶谐波平衡的跨声速颤振高效预测方法

跨声速流场激波及其诱导的附面层分离等非线性因素导致跨声速颤振边界很难被准确预测,尤其是目前工程常用的偶极子格网法,在跨声速时该方法的预测精度大幅下降。在雷诺平均Navier-Stokes方程流场求解器的框架内,利用结构模态建立广义结构运动方程,利用径向基函数建立模态振型的插值方法,结合径向基函数和无限插值两种网格变形方法的优点实现高效高鲁棒性网格变形方法,从而实现颤振时间推进分析流程,利用国际颤振标模AGARD445.6机翼验证程序在跨声速颤振边界预测中的可靠性。然而,时域方法在气动/结构反复迭代,需要耗费大量的计算资源和时间。为了提高颤振预测效率,基于高阶谐波平衡（HOHB）方法快速获得广义力影响系数矩阵,利用该矩阵建立频域模态位移和气动力之间的关系,实现高效颤振频域分析方法。通过二维翼型和三维机翼算例进行验证,结果表明：在不对计算精度产生明显影响的前提下,HOHB方法能够提高颤振预测效率约6倍。     

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。     

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.