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。     

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。     

Weibull分布参数估计值对细节疲劳额定强度的影响

将新材料、新工艺应用于民机结构设计时，细节疲劳额定强度（DFR）法仍是重要的评估方法。根据新型铝合金疲劳试验数据，全面分析了Weibull分布形状参数对DFR计算参数的影响；分析标准S-N曲线斜度参数对DFR的影响时，应考虑可靠性寿命的变化，采用低可靠度寿命计算曲线斜度参数可降低Weibull分布形状参数的影响；比较了采用不同分布参数估计值与传统上采用波音公司给定值进行DFR计算的差异。结果表明，对于通过符合性检验的试验数据，使用不同Weibull分布的参数估计值计算得到的DFR都大于按传统方法（用波音公司给定值）的计算结果，其中，三参数Weibull分布计算的DFR最大，至少增加10%以上。     

基于有限单元热网络法的航空发动机主轴轴承热分析

航空发动机主轴轴承温度场的精准预测对保证发动机润滑系统及整机稳定运转至关重要。针对传统热网络法精度低的问题，提出一种基于有限单元思想的有限单元热网络法。将轴承结构通过网格划分为有限个单元体，每个单元体设置一个温度节点代表该单元体的集总参数，节点间构建热阻关系并形成热网络，通过求解以温度为未知量的大型稀疏矩阵线性方程组来获得滚子轴承横截面的温度分布。该方法可以与轴承局部产热理论相结合，实现轴承局部产热的精准加载，完成温度场的精细化分析。通过与试验结果对比，本文方法对轴承外环表面中心线温度的预测结果与试验结果误差不超过13%。     

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。     

大数据分析在A320液压系统预测性维修中的研究与应用

液压系统是A320飞机的重要系统,通过采取预测性维修方式,借助EMS软件对WQAR数据进行大数据分析归纳总结,找出系统工作规律,确认系统参数正常性能范围,将之运用于系统监控,对监控发现的性能退化的飞机系统提前采取维护措施,使之恢复到合理的范围,避免飞机带"病"执行航班至系统彻底失效而影响到航班安全性。预测性维修大大降低了系统故障、完全失效的发生概率,有效保障航班的安全。     

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。     

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。     

考虑喷注流强分布的纵向稳定性建模与分析

喷注器流强分布是除声学阻尼装置以外使液体火箭发动机稳定工作的重要措施，通过控制喷注流强分布使推进剂的燃烧尽量远离主要振型的波腹区，减少热声耦合振荡的能量源，从而达到抑制高频振荡的效果。因此，建立喷注流强分布与稳定性之间的综合分析模型，研究流强分布的不稳定性抑制特性具有重要实际意义。针对采用自击式喷嘴器、液滴蒸发作为燃烧速率控制过程的某自燃推进剂缩尺燃烧室高频纵向燃烧不稳定问题，近似采用蒸发速率峰值区代替集中燃烧释热区，引入燃烧室三维声学控制方程以考虑多喷嘴条件下燃烧响应空间分布，建立了针对喷注器流强分布条件下的高频纵向燃烧稳定性分析模型，并对喷注流强的稳定性抑制特性进行了分析，给出了不同分布流强下燃烧室一阶纵向信号的增长率变化规律。研究表明，喷注流强分布有利于燃烧室稳定，"驼峰区"喷注孔径的增大对改善高频纵向不稳定性更为显著，"驼峰区"流强增加30%，相应的增长率降低15%。