高精度有限差分格式的色散优化及耗散控制

本文综述了我们在高精度有限差分格式的色散优化和耗散控制方面的研究进展。首先,我们提出了半离散有限差分格式色散和耗散相互独立的充分条件,实现了差分格式色散和耗散特性的独立调节。在此基础上,提出了色散最小、耗散可控的高精度差分格式,称为MDCD格式。MDCD格式已经得到了广泛应用,取得了很好的计算效果,但其主要缺点是耗散的调节依赖于经验。为了解决这一问题,我们进一步提出耗散的自适应调节方法。具有自适应耗散特性的高精度有限差分格式的基本特征是,差分格式的耗散能够随解的局部尺度自适应调节。为了构造这类格式,我们提出了一种新型的尺度识别器,它能够以等效无量纲波数的形式来定量衡量数值解的局部长度尺度。在此基础上,设计差分格式耗散参数与尺度识别器得到的等效无量纲波数之间的关系,从而构造了一类色散最小、耗散自适应的差分格式,称为MDAD格式。为了计算含有间断的问题,同时保持在光滑区的良好耗散特性,我们利用尺度识别器对一种经典的激波探测器进行改进,提出了一种新的激波探测器,并将自适应耗散格式与对应的WENO格式相混合,得到自适应耗散混合格式。近似色散关系显示该混合格式兼具高分辨率和鲁棒性。多个含间断流场的标准算例测试结果显示,自适应耗散混合格式具有良好的分辨率和激波捕捉能力。     

基于奇异值分解的涡扇发动机线性状态模型能观度分析

针对涡扇发动机气路测量参数难以优化筛选的问题,采用基于奇异值分解(SVD)的能观度分析方法对其能观度进行了分析。该方法可以计算获得各状态参数的具体能观度,实现对模型优劣性的定量评价;也可得到各测量参数与各状态参数能观度之间的敏感度关系,掌握彼此之间的关联程度,为后续气路测量参数的优化筛选奠定理论基础,最后采用改进平方根无损卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)递推算法对各气路部件突变故障进行了仿真分析,根据各状态参数的估计精度验证了本文能观度分析结果的正确性。     

基于快速原型的涡扇发动机气路部件在线健康监控系统设计

为实现涡扇发动机全包线范围内具有较高精度的快速实时仿真,结合快速原型技术和发动机非线性模型设计了一种气路部件在线健康监控系统。该系统采用涡扇发动机非线性模型模拟真实发动机进行实时计算,并将基于优化拟合法获得最优的发动机线性化模型融入扩展Kalman滤波算法,对气路部件健康参数进行实时跟踪,将该跟踪方法运用于基于CompactDAQ和CompactRIO平台设计的发动机在线故障诊断原型系统进行仿真试验验证。仿真结果表明,基于快速原型技术与发动机非线性模型构建的在线健康监控系统能够实现对气路部件故障的有效诊断,平均正确率达到98.28%。     

基于改进平方根无迹卡尔曼滤波方法的涡扇发动机气路状态监控

针对涡扇发动机气路状态监控存在模型未知或不准确导致滤波效果下降甚至发散的问题,研究了一种融入高斯过程回归（GPR）的改进平方根无迹卡尔曼滤波（UKF）方法.该方法利用GPR对训练数据进行学习,建立发动机气路部件状态监控的GPR模型,替代UKF方法中的非线性系统模型;采用超球体单形采样和平方根滤波方法来提高滤波的计算效率和数值稳定性.仿真结果表明:训练的GPR模型解决了UKF方法对发动机原系统模型和噪声协方差矩阵依赖性的问题;与扩展卡尔曼滤波（EKF）和平方根UKF方法相比较,改进平方根UKF方法精度更高,对健康参数的估计精度达到99.9%,实现了对涡扇发动机单个和多个气路部件健系参数的有效跟踪.      

基于改进K-SVD字典训练的涡扇发动机气路突变故障稀疏诊断方法

以典型气路突变故障信号的稀疏特性为基础,通过对涡扇发动机部件特征原子组进行分类,提出了改进K-奇异值分解(K-singular value decomposition,K-SVD)字典训练的稀疏诊断方法,并结合气路典型突变故障开展了仿真实验研究。仿真结果表明:相比于拓展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)和无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)方法,改进K-SVD方法对故障定位准确,无故障部件健康参数变化为0,可有效提高故障部件辨识度,避免误诊断;计算耗时与EKF方法基本相等,仅为UKF方法的03%,是一种有效的航空发动机气路突变故障在线诊断方法。     

航空发动机尾喷管固体颗粒流动特性研究

为了通过发动机尾喷管内固体颗粒的荷电水平来判断发动机的故障程度,对发动机尾喷管内固体颗粒的流动特性进行研究。选取某型发动机尾喷管为研究对象,利用ICEM软件进行建模与网格划分,通过Fluent模拟仿真分析颗粒直径和初始速度对颗粒分布的影响,探讨固相颗粒产生绳流、均匀弥散流、环流及层流等流型的条件。研究表明:局部注入的颗粒分布为绳流;对于面均匀注入方式,随着固体颗粒直径增大,其分布由均匀弥散流逐渐变为环流;随着颗粒直径和速度的增加,颗粒与尾喷管壁面碰撞加剧,部分区域出现层流;当颗粒直径和速度达到一定程度时,颗粒的分布规律保持稳定。     

航空发动机尾气颗粒物流动影响因素分析

为了获得发动机尾喷管内荷电颗粒的流动特性，利用COMSOL软件建立基于气-固-电三相耦合的荷电颗粒运动模型， 以入口压强代表发动机工况，以颗粒直径和荷电量代表故障程度，探寻入口总压、颗粒直径、颗粒种类与颗粒流动的关系，并分析 了入口总压对颗粒分布的影响。结果表明：当颗粒直径小于40 μm时，颗粒速度随直径增大有明显减小的趋势，当直径大于40 μm时，颗粒速度逐渐处于平稳状态；对于同一直径的故障颗粒，其分布受发动机工况影响较小，可以忽略在同一故障程度下颗粒 分布对静电信号产生的影响；颗粒直径影响颗粒速度，而颗粒速度决定静电信号频率。在下一步研究中可通过异常静电信号频率 来判断发动机故障程度。