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。     

基于双滤波器的高精度目标跟踪估计方法

针对连续推力的合作航天器，采用双重无迹卡尔曼滤波(DUKF)算法估计其状态和加速度。通过状态滤波器和参数滤波器的配合，提升滤波精度，完成运动状态和参数的估计，从而实现合作目标的运动轨迹跟踪。与合作航天器相比，非合作航天器存在大小未知、发生时刻未知的机动，无法获得加速度，且信息获取和运动状态的估计难度大。针对非合作航天器，基于简化的相对运动方程，结合天基平台获得目标的观测信息，采用两个扩展卡尔曼滤波(EKF)及基于半正焦弦的机动检测策略实现多未知脉冲机动的运动状态的估计。仿真结果表明：相比于无迹卡尔曼滤波（UKF），DUKF在对合作航天器的状态和加速度估计方面具有更快的收敛速度和更高的滤波精度；对于存在未知机动的非合作航天器，通过对比验证机动检测策略与滤波器切换策略相结合的方法的有效性，该方法能够检测到多次机动并且减少误判。     

功率级无刷直流电动机四象限运行模拟器设计

针对无刷直流电动机（BLDCM）驱动控制器在研发过程中全工况测试困难、测试成本高和研发周期长的问题，提出了一种采用分区间采样和解算方法的、具有四象限运行能力的功率级（PHIL）无刷直流电动机模拟器，替代实物电动机和机械负载装置完成对两两导通控制方式下无刷直流电动机驱动控制器的各项性能测试与可靠性试验。该模拟器由实时仿真器、电动机模拟变换器和多级式双向变换器3部分组成，实时仿真器负责采集被测电动机驱动控制器输出的PWM电压，实时解算电动机模型得到三相电流指令，控制电动机模拟变换器生成三相电流，多级式双向变换器负责维持模拟器输入、输出间的能量平衡关系，从而实现对四象限运行时无刷直流电动机的功率级模拟。实验结果表明:所提出的功率级无刷直流电动机模拟器模拟精度高、实时性好、测试灵活，能够有效替代实物电动机和机械负载装置，满足电动机驱动控制器的测试需求。      

基于离散伴随的高超声速密切锥乘波体气动优化设计

基于定平面形状的密切锥乘波体设计方法能够显著提高传统乘波体的设计灵活性和整体升阻特性。但是该类乘波体在设计时忽略了三维效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应，在设计工况下仍会出现溢流，升阻比难以达到最优；另外，这类乘波体仍具有传统乘波体在偏离设计条件下气动特性会出现恶化的不足。因此，有必要在考虑黏性的情况下，针对定平面形状的密切锥乘波体开展全机气动优化设计。结合基于全速域通量求解方法和RANS湍流模型的高精度CFD求解器、鲁棒的结构网格变形方法、自由变形参数化方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法，实现了基于离散伴随的高超声速飞行器气动优化设计方法。基于上述方法，针对定平面形状的密切锥乘波体开展了单点和多点的三维整机气动优化设计。在400万多块结构网格、600个设计变量以及303个设计约束条件下，所采用的离散伴随优化方法仅花费2 240CPU小时和3 360CPU小时即完成了三维整机单点和多点的优化设计。结果表明，相较于初始构型，单点优化得到的构型在设计状态下的升阻比提升了近5%；多点优化得到的构型可保证在设计点状态升阻特性没有损失的同时，将非设计点的升阻比提升10%以上，进而在一定程...     

MIMO窄带加宽带非高斯随机振动试验

提出了一种用于多输入多输出窄带加宽带非高斯随机振动试验方法。首先，详细分析了随机相位与非高斯随机信号偏度和峭度的关系，提出了一种可用于快速生成具有指定偏度和峭度的迭代相位调节法。其次，根据控制通道之间的耦合关系，利用各通道之间随机相位的不相关特性，实现了多通道非高斯随机信号生成的解耦。然后，将生成的非高斯随机信号作为参考输出响应，采用时域逆系统方法生成驱动信号，并利用控制算法分别对响应信号的功率谱、偏度和峭度进行控制。最后，通过三轴向振动台试验验证了本文提出的多输入多输出窄带加宽带非高斯随机振动试验方法的可行性。结果表明，控制点上加速度的功率谱被控制在了±3 dB的容差限内，满足预设的容差要求。同时，时域响应信号的峭度和偏度也满足给定的参考要求。     

风雷软件LES开发设计与验证

基于国家数值风洞风雷软件开源框架，设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型，主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法，给出设计的软件框架和计算流程，尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例，验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型，具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块，可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。     

基于COSMIC掩星精密定轨数据的等离子体层电子含量研究

等离子体层是日地环境重要的组成部分.本文利用COSMIC掩星精密定轨数据经处理后得到的podTec文件获取等离子体层电子含量（PEC）对等离子体层进行研究.将podTec数据进行处理后获得的PEC（pod-PEC）和IRI-Plas经验模型提供的PEC （IRI-PEC）进行对比，发现pod-PEC与IRI-PEC符合得较好.在低（0°—20°）、中（20°—50°）、高（50°—90°）修正地磁纬度带下，分析了COSMIC在太阳活动极大年（2014年）3，6，9和12月的pod-PEC，得到如下结论:PEC随着纬度升高而逐渐减少，且3，9月PEC在中低纬关于磁赤道的南北对称性较好，6月北半球各纬度带的PEC明显高于南半球同一纬度带的值，而12月情况则完全相反，南半球中纬的PEC甚至会等于北半球低纬的PEC值；PEC在白天高而晚上低，高纬地区的PEC昼夜变化不明显；PEC具有明显的季节性.对于北半球，一年中PEC最大值出现在春季，冬秋季次之，夏季最低，具有明显的年度异常现象.      

气冷涡轮导叶流热耦合计算及机理

针对气冷涡轮叶片的多场耦合特性，利用流热耦合（CHT）方法，对采用不同气冷结构的高压涡轮导叶进行数值模拟。在内冷涡轮导叶算例中，对比实验数据选取精度较高的流热耦合计算方案，分析该内冷涡轮导叶的多场特性及耦合机理。在此基础上，以带有气膜冷却孔及内冷通道的气冷涡轮导叶为研究对象，重点围绕冷却射流与主流的相互作用，讨论近壁边界层中流热耦合关系及气冷效率影响因素等相关问题。结果表明:采用流热耦合计算方法及合适的湍流转捩模型有利于提高数值精度；气冷涡轮导叶的流场温度场密切耦合，流动换热特性互相影响；冷气射速低时，增加冷气流量可提高气膜冷却效率，冷气量达到一定值时，冷气流量增加将导致气膜冷却孔后上游冷却效果变差，下游冷却效果变好；冷气射速较高时，将与主流相互作用产生复杂流动结构（如肾形涡、马蹄涡等），对温度分布存在一定影响。      

左行运动激波主导的管内流动特性研究

为了分析左行运动激波主导的管内流动特征，本文采用非定常数值仿真方法，对亚声速进口条件下等直管道内左行运动激波传播与演化特性、左行运动激波/边界层干扰特征开展研究。研究结果表明：在出口周期性强压力脉动干扰下管内存在连续的左行运动激波，该左行运动激波传播特征具有相似性，激波强度、传播速度按幂函数规律衰减。气流经过左行运动激波后总压、总温、静压阶跃式升高，随后受膨胀波影响气流总压、总温、静压下降；左行运动激波/边界层干扰诱发形成翼型回流区，该回流区随运动激波强度衰减逐渐减小。理论与数值分析表明存在左行运动激波后速度为零和运动激波两侧总压相等的两个临界状态。波前马赫数低于临界值或左行运动激波强度高于临界值时，左行运动激波后为倒流、波后总压高于波前。     

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。