高精度差分格式及多尺度流场特性的数值模拟

简要介绍了作者近年发展的高精度差分格式,给出了两类格式精度的分析方法,分析了粘性面差分逼近所引入的耗散量低亏效应。文中按群速度将格式分为快型,慢型和混合型三类。对每类格式分析了高频波的传播特性。     

某风洞主体结构的有限元分析

由于某风洞主体结构为典型的薄壁结构,所以在设计阶段必须考虑其静强度、静刚度、动态特性以及支座形式和布置问题。笔者阐述了风洞主体结构的网格划分方法,根据模型简化原则,通过MSC／Patran建立了有限元计算模型;同时,通过CAE软件MSC／Nastran,根据先进的模态计算方法-Lanczos法,对该风洞主体结构进行了有限元分析,获得了静力学以及模态分析结果。结果表明：该风洞主体结构满足静强度与静刚度要求,总体刚度分布合理,模态频率分布良好,但应对部分部件进行进一步优化。     

比例式变推力固体姿控发动机非稳态特性研究

为了研究比例式变推力固体姿控发动机的内流场非稳态特性,建立了比例针栓推力器的二维轴对称计算模型,基于动网格技术模拟入口压强随喉部面积变化而变化的推力器工作模式,得到了内流场各性能参数的变化规律。结果表明:在非稳态工作过程中,内流场会出现典型的亚音速回流区、斜激波和流动分离等特征,入口压强、针栓壁面及喷管壁面压强均随针栓靠近喉部而增大,推力器推力逐渐上升,实现了推力连续调节。开关频率会加剧针栓前进过程中头部压强波动。针栓头部收敛角越大,其头部回流区越小。当喉部面积一定时,燃速压强指数越高,发动机压强与推力变化范围越大,为实现预设的推力调节范围,需要选择合适的燃速压强指数。     

共聚焦三维数据表面重建的一种反走样方法

用边界体素的集合表示物体表面,将边界体素作为点投影到屏幕上形成光照图像时,可能出现空洞和图像走样.改进了体素表面算法:用剖分立方体算法得到物体的边界体素集,然后用边界体素的中心点构造投影表面点,用脚印函数计算表面点对显示图像平面上像素的影响范围,以此值作为该像素的权值,形成最后的图像.这样,边界体素不是只投影到一个点上,而是有一个投影区域,从而避免空洞现象,并减轻走样现象.实验证明,该方法具有较快的表面重建速度,消除了空洞,改善了显示效果.     

基于碰撞检测的空间超大规模航天器拼接曲面优化

针对模块航天器在轨拼接曲面优化、曲率极值问题,提出了一种基于模块间隙约束的“球冠-平面”辅助映射法,该方法不仅可以规划模块航天器如何构成目标曲面,还可以获得该曲面的极值。该方法以正六棱柱模块航天器为单位模块,将模块按由“球冠-平面”映射的圈层排列张成目标球面,构建了拼接曲面的数学模型。鉴于工程上对机构调整有限导致的相邻模块间隙限制问题,在算法中引入了碰撞检测(DC)约束参数;通过遗传算法寻优,获得目标曲面布局的最优解。最后仿真表明:该算法可以有效获得曲面布局的最优解。     

单幅图像的三维重构视觉系统特征点提取算法的研究与实现

实现基于单幅二维图像不标定欧氏重构三维场景的关键技术之一是有效提取彩色伪随机编码图像特征角点。为给图像特征点匹配提供更多的样本信息,采用定位于彩色图像Harris算子探测特征角点,并动态给出角点响应的自适应阈值条件。特征点提取实验及三维欧氏重构结果证实了该方法的适用性和有效性。     

基于超网格的重叠网格守恒插值方法

保证重叠网格边界数据插值的守恒性是计算流体力学面临的一大难题。基于超网格方法与格心格式有限体积法,发展了一种新型混合重叠网格守恒插值方法。详细研究了用网格切割技术在重叠网格边界构造局部超网格,用网格求交算法合理地扩大贡献单元模板,建立了一种适用于任意网格类型的隐式并行重叠网格守恒插值方法,以超网格为媒介可实现重叠网格二阶精度的守恒插值。数值结果表明,本文方法对二阶分布的流场变量具有严格的守恒性,相比三线性插值方法和逆向距离权插值方法,本文方法减小了数值误差,提高了重叠网格边界的插值精度,加快了计算收敛速度,改善了重叠区域网格尺度相差较大时流场的光滑性和连续性。     

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

高效非结构网格变形与流场插值方法

非结构动网格在含动边界的非定常流动模拟中应用十分广泛。为了提高网格变形的计算效率和对复杂外形的适用性,发展了高效的K近邻-径向基函数（KNN-RBF）动网格方法。并采用高效的交界面节点一致性方法实现了网格变形的并行化。由于边界的运动和变形形式多种多样,在自主开发的计算流体力学（CFD）程序中实现了动网格的用户自定义函数（UDF）功能模块,可以灵活地设置此类问题中的边界运动。在模拟大变形问题时,采用了全局网格重构的策略对网格质量较差的区域进行处理。提出了快速查找新旧网格最近点的两级KD（K-Dimensional）树方法,并根据最近点在新旧网格间进行流场插值。从而建立了高效健壮的并行流场插值方法。通过对若干算例进行模拟,验证了所发展方法的正确性和健壮性。     

动基座近舰面流场数值模拟

航母尾迹流场对舰载机的着舰有较大影响,所以需要对其流场特点进行研究,分析不同状态下舰载机气动特性的变化。采用嵌套网格技术对航母处于垂荡状态下无人机的着舰进行了模拟。首先,利用SFS2舰船进行数值计算,验证了舰船流场的数值模拟方法。然后,对比了单独无人机定常与非定常计算结果,表明所建立的嵌套网格适用于无人机流场的模拟。接着,对航母单相流和两相流的流场结果进行了分析,结果显示甲板下方的流动对甲板上方流场没有大的影响。因此,忽略了水的影响只对航母在空气流场中的特性进行研究,结果表明航母尾迹非定常特性明显,静止航母下滑轨迹上的速度均处于周期性波动状态,且波动幅值随着远离航母而逐渐衰减;而在垂荡情况下航母尾迹变得更加紊乱,水平方向速度波动的周期性减弱,但垂向速度的波动幅值进一步增大。对于静止航母,无人机在不同时刻着舰气动特性的变化也存在差异;当航母处于垂荡状态时,无人机的升力和俯仰力矩在短时间内会有更大的波动。