仿生水下探测器试验研究

水下探测器广泛运用于海洋工程装备中，是船舶、潜艇等感知水下环境的主要设备。目前常用的传感器有着探测距离短、消耗功率高、信噪比不足等缺陷，应用受到较大限制。长期以来，仿生学研究为海洋工程装备的设计提供了大量的创新灵感。研究发现，海洋生物中的海豹在水下的捕食和避险等行为依赖于其胡须的特殊结构对水下环境进行感知。本文通过对海豹胡须结构的研究，仿制了海豹胡须型水下探测器，通过水槽试验验证了其水中目标探测能力。在试验中，针对角度、来流速度和探测目标位置等不同工况进行了研究，通过探测器收集到的信号的频谱分析，掌握了海豹胡须型探测器的工作规律。     

基于压缩感知的高频响流场重构方法及其应用

粒子图像测速（PIV）方法具有高空间分辨率的优势,但是往往受到采样频率的限制（一般在15 Hz以下）,难以完成高频响测量。压缩感知（CS）能够基于稀疏采样数据获得高频信息,但如果直接应用于所有的数据点则计算量过大。基于亚采样（sub-Nyquist）PIV数据,本文提出了基于压缩感知和本征正交分解（POD）的高频响流场重构方法。首先采用POD对数据降维,同时获取空间模态和相应的亚采样时间系数,将亚采样时间系数作为观测值,选取适当的稀疏基,通过求解基追踪问题来计算高频响的模态系数。结合空间模态和所得到的时间分辨模态系数,可以重构高频响的非定常流场。利用该方法分别对周期性的振荡器流场和非周期性的不同直径圆柱流场进行重构,检测该方法的适应性。结果表明,压缩感知方法无需侵入式的辅助测量,可以为周期性流场提供准确的重构,重构误差低于3%,而对于非周期性复杂流场,则出现较大的高频噪声。因此,本文所提出的方法可以应用到周期性流场中以提高测量数据的时间分辨率。     

高频高速流体振荡器工作特性

设计了一种新型高频高速流体振荡器,并采用热线风速仪、高频动态压力传感器等测量手段,对其频率-压力响应特性、速度-压力响应特性及内部压力传播特性进行了实验研究。结果表明:设计的流体振荡器工作频率约为900 Hz,进出口压比为2时,其出口射流速度范围为75~239 m/s。建立了振荡周期/频率与内部尺寸的关系式,验证了振荡器内部的压力传播与反射机制,并用压力的作用机制解释了射流偏转的两个阶段,为今后设计不同流动条件下所需的流体振荡器提供了设计思路。      

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上，形成多功能示踪粒子，从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry，PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）技术相结合，发展了一种流场压力与速度同步测量的技术，为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统，对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量，研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明，制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性，其压力响应时间区间为40~70μm，符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能，其中2μm粒子松弛时间为7.5μs，有较好的跟随性能。     

基于数据驱动的移动目标卫星任务规划

卫星任务规划是卫星地球观测的重要前提。传统的卫星任务规划主要针对固定地面目标，不能满足日益复杂的任务需求。针对移动目标的卫星观测任务，提出了一种基于数据驱动的移动目标卫星任务规划方法。该方法在大量的移动目标数据的基础上，通过改进的长短期记忆神经网络算法预测了目标的未来轨迹和位置信息，并通过约束满足型遗传算法规划了基于预测算法结果的移动目标卫星观测任务。鉴于移动目标观测中约束和任务冲突的复杂性，约束满足型遗传算法以条件形式将约束嵌入到遗传算法中，并在算法中特别设计了冲突消除算子以解决任务冲突问题。仿真结果证明了该方法在解决移动目标卫星任务规划问题上具有优良的效率，并获得了很高的观测精度。     

基于卡尔曼滤波的翼型表面压力实时重构方法

为实现基于稀疏数据的翼型表面压力实时重构，提出了一种基于压缩感知与卡尔曼滤波器的数据融合方法，该方法主要包括线下建立数据库和线上实时感知两部分。首先，在线下通过粒子图像测速技术、压敏漆、计算流体力学等方法对翼型表面压力进行全场采样，并采用本征正交分解对所测得的全场压力数据进行降维，建立含有主导相干流动结构的模态数据库以及各模态时间系数之间的状态转换关系。其次，在线上基于压缩感知，利用离散压力传感器所测量数据与压力场主导模态，通过求解L₁范数下的最优化问题，对各主导模态的时间系数进行初步求解。最后，将线下所得各模态时间系数之间的状态转换关系放入卡尔曼滤波器，作为其系统模型进行预测；将线上所求得各模态时间系数放入卡尔曼滤波器，作为其观测值进行校正。以CFD模拟翼型压力作为验证数据，对该方法的性能进行评估，结果显示：该方法与仅采用压缩感知进行重构对比，升力重构误差从18.15%减小至6.39%。     

振荡射流气动矢量喷管参数影响特性的试验研究

基于康达效应的同向流矢量技术控制效率高、推力损失低，具备提高飞行器隐身性能的巨大潜力。为了探究马赫数Ma 0.35主流下二次流类型、二次流阵列个数、康达壁面半径R和终止角θ等参数对同向流矢量控制的影响，利用天平研究了9种不同的喷管模型的力学特性，获得矢量偏转力随次主质量流量比变化的控制规律。结果表明，主喷管高和康达壁面半径的比值H/R是对矢量偏转效率和控制稳定性最重要的因素，H/R越低，控制效率越高，控制曲线线性度越高；使用三个振荡射流阵列作为二次流的条件下，H/R从0.5减小到0.43，控制效率提高近49%，与使用定常射流相比，使用振荡射流作为二次流，显著提高了控制效率，增强了控制稳定性；对比分析显示，使用两个或三个振荡二次流阵列、H/R为0.43且θ为90°时，矢量控制效果最好。进一步地研究表明，H/R和θ对矢量控制效率的影响最大，而θ对控制曲线线性度几乎没有影响，本文研究还发现二次流阵列个数低于两个或H/R高于0.6时，控制特性急剧恶化。本文研究可为同向流矢量喷管的工程设计提供理论支撑。     

出口分流装置对振荡射流流场的影响

为了探究连续-离散脉冲式振荡器内部的流动过程及分流楔对出口峰值速度和振荡频率的影响，二维非定常模拟了五种工况下的两种分流距离的连续-离散脉冲式振荡器以及连续扫掠式振荡器的内部流场。结果表明：该类构型振荡器出口速度普遍具有三峰值特性，且当分流距离增长时第一峰值速度(U_max,1,O)下降，第三峰值速度(U_max,3,O)上升，而第二峰值速度(U_max,2,O)受到的影响较小；当入口流量在一定范围内变化时，三峰值速度具有一定的大小关系：U_max,3,O>U_max,1,O>U_max,2,O，其中U_max,1,O在入口流量过大或过小时，有随之同向变化的趋势。连续-离散脉冲式振荡器振荡频率随分流距离增长呈先降低后升高的变化趋势，但连续扫掠式振荡器始终最高且与前者的差值随流量增大而增大。研究中还发现，当分流距离增长或入口流量减小后，将使该类构型振荡器出口速度具有更多波动。该研究结果可为优化连续-离散脉冲式振荡器设计以及相关流动控制方案...