可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方法

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介质流动问题物理建模与数值方法困难的主要原因。为了建立一套高效的可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方案,本文从数值框架的选择、非守恒方程相容离散、高精度有界格式构造、界面压缩、界面-单介质分区计算方法等多个维度出发,综述近几年我们在可压缩多介质流动问题高精度数值模拟方法方面的研究进展。通过上述多个维度的工作,我们建立了一套适用于可压缩多介质流动问题的低耗散、基本无数值振荡的高精度欧拉数值方法,并成功应用于可压缩多介质大变形流动和界面不稳定性诱导湍流混合等问题的数值模拟。相关数值方法研究成果已集成至武器物理等领域工程数值模拟软件中,为相关工程任务提供了重要技术支撑。     

飞行器径向连接螺栓振动断裂分析

应用有限元分析结合试验数据，获得随机振动环境下飞行器径向连接螺栓的载荷功率谱密度（PSD）；采用基于弯曲效应的载荷与应力的线性关系，获取螺栓头根部的名义应力功率谱密度；基于Dirlik经验公式，获取应力随机过程的峰值概率密度函数和预期波峰数，联合Miner线性累积损伤模型及经应力集中系数修正的材料S-N曲线，评估径向连接螺栓头根部振动疲劳寿命，获得的结果与试验螺栓头断裂现象符合，并确定螺栓断裂原因为低频共振疲劳。     

FlowStar:国家数值风洞(NNW)工程非结构通用CFD软件

计算流体力学（CFD）仿真软件是流体相关的数学物理知识和工程实践经验的数字化表达，是工业数字化转型的重要助推。然而，大型工业CFD软件研发难度极高，需要同时兼顾功能多样、系统稳定、性能优越、交互友好等特征。依托国家数值风洞（NNW）工程，研发出一款通用流场模拟软件NNW-FlowStar，并在航空、航天等工业部门大力推广使用。软件基于非结构有限体积求解方法和大规模并行计算技术开发，结合现代化软件工程思维设计，具备先进的数值方法、高效的计算效率和友好的用户操作界面，可满足各类复杂外形的高效气动模拟。独特的重叠网格技术配合六自由度运动模块，可帮助实现武器分离、舱门定轴转动等各类气动-运动协同仿真需求。多类标模案例和复杂工程应用表明，FlowStar软件算法鲁棒、精度可靠，是一款高精度、高效率、高可靠性的通用CFD仿真软件。通过对软件的架构设计和功能应用进行介绍，使相关从业人员能更好地了解FlowStar软件，最终促进国产自主CFD软件生态的良性发展。     

Design of nanofluid-cooled heat sink using topology optimization

The paper presented topology optimization of 2D and 3D Nanofluid-Cooled Heat Sink (NCHS). The flow and heat transfer problem in the NCHS was treated as a single-phase nanofluid based convective heat transfer model. The temperature-dependent fluid properties were taken into account in the model due to the strong temperature-dependent features of nanofluids. An average temperature minimum problem was studied subject to the fluid area and energy dissipation constraints by using the density method. In the method, the design variable is updated according to the gradient information obtained by an adjoint based sensitivity analysis process. The effects of the energy dissipation constraint, temperature-dependent fluid properties and nanofluid characteristics on optimal configurations of NCHS were numerically investigated with following conclusions. Firstly, branched flow channels in the optimal configuration increased with the rise of the allowed energy dissipation. Secondly, temperature-dependent fluid properties were significant for obtaining the appropriate optimal results with best cooling performance. Thirdly, heat transfer performances of optimal configurations were enhanced by reducing the nanoparticle diameter or increasing the nanoparticle volume fraction. Fourthly, the optimal configuration for nanofluid had better cooling performance than that for its base fluid.     

煤油燃料超燃冲压发动机燃烧特性实验研究

为研究空气节流时序对超燃冲压发动机点火和火焰稳定的影响，本文通过实验方法研究了13个状态的煤油燃料超燃冲压发动机的燃烧特性，煤油燃烧通过先锋氢气和节流空气增强稳定性。通过两个固定位置的压力传感器来监测火焰稳定状态，采用纹影和OH-PLIF相结合的测量手段，获得了流场结构和火焰发展信息。发动机入口来流条件为Ma = 2.0，总温950 K，总压0.82 MPa。在空气节流的作用下，煤油被先锋火焰引燃；在先锋氢撤除后，煤油仍然可以稳定燃烧。在扩张段中，空气节流和燃烧共同作用产生的激波串移动速度约为52 m/s，但在凹槽内其速度仅为3.7 m/s。通过监测点压力变化情况可以区分所研究状态的火焰稳定与否，通过对13个研究状态的考察，获得了火焰稳定临界曲线。当所研究状态点在临界曲线右上方区域时，火焰状态稳定；当所研究状态点在临界曲线左下方区域时，火焰将被吹熄；当所研究状态点在临界曲线上时，火焰不稳定，在空气节流撤除之前将被吹熄。     

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法，能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律，且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究，若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流，需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法，本文基于欧拉参考框架，针对可压缩湍流的特性，将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量，并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进，开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程，在随机性模块中构造一维涡时，将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量，并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对，验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合，精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM），且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

高马赫数层流摩阻数值计算精度

飞行器在高空高速飞行时黏性效应显著，摩阻预示精度对飞行器的关键气动性能意义重大。目前，摩阻预示主要依赖数值计算，但高马赫数层流摩擦阻力计算与试验测量结果仍存在差距。以具有高速飞行器典型部件特征的球锥、三角翼为对象，结合风洞试验摩阻测量结果，使用国家数值风洞（NNW）数值计算软件和自研CFD程序研究了数值计算中影响摩阻计算精度的格式数值耗散及壁面温度边界条件等重要因素。研究结果表明：数值耗散越小，表面摩阻的计算精度越高；在速度较低的边界层近壁区内关闭熵修正，将有助于提高表面摩阻的预示精度。此外，在高马赫数流动问题的数值模拟中，壁面温度条件对表面摩阻计算同样具有重要影响。最后，基于分析结果和工程需要提出了对高精度摩阻数值预示的研究需求。     

详细化学反应机理对预混丙烷钝体熄火模拟影响

航空发动机熄火预测是重要关键问题之一，湍流和化学反应的非线性相互作用使预测非常困难。本文采用大涡模拟（LES）对湍流进行高精度模拟，采用概率密度函数输运方程湍流燃烧模型（TPDF）耦合JL4、Z66和H73三种化学反应机理，对预混丙烷钝体熄火现象和规律进行研究。JL4的反应机理最简单，反应释热快，局部放热高，火焰宽度大，火焰两侧温度梯度大，燃烧更加趋于稳定，无法模拟出熄火状态。H73机理绝热火焰温度低，火焰温度低，回流区中部OH含量高；在近熄火状态，大量CO被氧化，释放热量过高导致无法模拟出熄火现象。Z66机理可以模拟出火焰正常状态，在低当量比下也可以模拟出熄火状态。本文算例中，局部Da数大于1的区域超过35%则会发生熄火。     

基于工业物联网的混流车间机器人自适应调度

随着工业物联网技术与人工智能技术深度融合,物料机器人已广泛应用于物联网车间中。针对车间存在实时动态变化和状况不确定等诸多复杂因素,本文提出以组分层建树和以实时状态为根节点的SP–MCTS(Singleplayermonte-carlotreesearchalgorithm)搜索方法实现车间自适应调度决策。该方法将机器人调度问题转化为马尔科夫决策过程(Markov decision process,MDP),并详细描述车间状态、动作、奖励和策略的表示方法。在实时调度过程中,该搜索方法依据工件组分层建树,搜索中只考虑相邻两组间的状态关系,从而简化计算难度。在子树搜索中,应用SP–MCTS以实时状态为根节点进行搜索,同时应用扩展方法和剪支方法进行策略探索和信息累积,使得在子树内实时状态节点越深,就越能够快速精准获取最优策略。最后,通过实际案例模拟分析,验证了该方法的有效性和优越性。     

C/C-SiC复合材料致密度影响因素

利用先驱体转化法制备C/C-SiC复合材料,对试样进行微观结构分析和性能测试,研究渗硅温度、保温时间、真空度和裂解周期对C/C-SiC复合材料致密度的影响。结果表明:随着渗硅温度的升高,材料的致密度呈先加速升高后快速下降趋势;随着保温时间的延长,材料的致密度先快速升高,保持一段时间稳定后再缓慢降低;随着烧结真空度的提高,材料的致密度加速升高;随着裂解周期的增加,材料的致密度不断增大,但增速逐步降低。经过11周期的“浸渍-固化-裂解”过程后,所制备的C/C-SiC复合材料获得最大密度2.09 g/cm3、最小孔隙率7.6%,其综合力学性能最为优异:弯曲强度468 MPa、拉伸强度242 MPa、断裂韧度19.6 MPa?m1/2、维氏硬度17.2 GPa。