机器学习辅助湍流建模在分离流预测中的应用

数据驱动湍流建模是近年来发展的提高雷诺平均N-S方程预测精度的有效手段,通过机器学习算法能够从高置信度数据中自动提取特征,建立准确的从平均流动特征到雷诺应力的预测模型。针对高雷诺数下积冰翼型绕流这一类典型的复杂流动分离问题,基于此前研究者提出的机器学习预测框架,从输入输出特征选择和翼型绕流中数据分布特性两个方面出发,对机器学习预测结果的光滑性和准确性进行改善。提出了基于雷诺应力张量分析和流动特征辨识的输入特征选择准则;提出了局部区域建模方法以及基准模型和机器学习预测模型混合的代入计算方法。将改进方法应用于积冰翼型绕流问题之中,结果表明改进的方法能够准确给出训练集和预测集上的雷诺应力结果,并且代入平均流计算可以得到和真实分布更加接近的流动和机翼表面压力分布。     

模型振动对风洞实验数据分散性的数值模拟研究

研究模型振动对风洞实验结果的影响对于修正风洞实验数据和加深空气动力学的理解具有重要的现实意义。基于κ－ω的SST两方程湍流模型,在时间域求解雷诺平均N—S方程,研究了模型振动在不同迎角下流场和气动力的变化规律。结果表明：模型振动在小迎角条件下对气动力测量结果几乎没有影响,但在大迎角存在一定分离的条件下,可以引起分离涡的非线性演化,导致气动力平均值的改变,从而引起风洞气动力测量值的分散性。结论从物理机理上解释了大迎角风洞实验的重复性和数据分散性。     

弯曲网格上的间断有限元湍流数值解法研究

采用间断有限元方法对雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程进行了数值求解,对Spalart-Allmaras单方程湍流模型进行了部分修正,使得求解器更加鲁棒。构造了分段高次多项式来逼近真实物面,同时物面附近采用多层弯曲网格来避免网格交叉,此外提出了一种快速计算积分点的曲面物面距的方法。采用混合网格对NACA0012翼型以及RAE翼型进行了数值计算,并与实验数据以及前人数据进行了对比。计算结果表明,采用物面弯曲网格结合修正的湍流模型方法在相对稀疏的网格上就能得到比较好的数值解。     

基于离散伴随的流场反演在湍流模拟中的应用

精确模拟湍流流动是学术界和工业界均普遍关注的问题。采用数据驱动湍流建模的思路,建立了基于离散伴随方法的流场反演框架。通过为SA模型涡黏性输运方程的生成项乘以非均匀分布的系数,并利用有限的观测数据对该系数进行推断,实现对SA模型的修正。为了提高带有物理约束的离散伴随优化的效率,发展了约束增广的伴随方法,其高效性在本文得到了验证。选取了结冰翼型和周期山2个分离算例进行分析,所得结果在2个算例中均能以很高的精度拟合观测数据,并能借助湍流模型的修正将有限的观测信息泛化到整个流场。分析表明,流场反演所推断出的修正区域具有较为明确的物理意义,能够指导湍流模型的进一步改进。     

湍流边界层各向异性张量模式的实验研究

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号。利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性的涡黏张量各分量的空间分布规律。各向异性的涡黏张量分量的空间分布揭示了流向平均速度的法向梯度对雷诺应力三个分量的不同贡献。涡黏张量三个分量空间上的不同规律说明对涡黏张量的各向异性的考虑是合理的,而各向同性的涡黏模型不适宜描述剪切湍流雷诺应力的物理本质。     

适用于旋转通道各向异性湍流模型

基于代数雷诺应力方程的简化模型,并结合充分发展旋转通道的直接数值模拟（DNS）湍流脉动数据,发展了一种适用于旋转通道的各向异性k ω模型。采用该模型对进口雷诺数为6000,旋转数为0~0.26的旋转直通道进行模拟,结果表明:将旋转修正系数乘以传统的湍流黏度发展的各向异性k ω模型,能够准确地描述旋转状态下前缘面和后缘面的换热情况,是一种有效的各向异性湍流模型修正方法;旋转修正系数是否合理的关键是对雷诺应力比值进行准确地描述;通道的换热效果与旋转数和流向沿程无量纲位置有关,前缘面的换热随旋转数和无量纲流向距离的增加而减小,而后缘面的换热随旋转数和无量纲流向距离的增加而增大。      

钝体稳定射流火焰的火焰面模型数值研究

基于稳态火焰面(SLFM)和交互式非稳态欧拉颗粒火焰面(EPFM)模型对Sydney大学CH4/H2钝体稳定湍流扩散火焰行了数值研究,采用修正的雷诺应力模型(RSM),同时对两种不同规模的甲烷详细化学反应动力学机理进行研究,比较了燃烧模型和反应机理对湍流火焰结构、活性自由基以及氮氧化物预测精度的影响,与实验数据对比结果表明:两种反应机理得到的温度场和主要组分分布基本相同;SLFM模型能对速度场和标量场的分布进行较为准确预测,采用EPFM模型修正后,部分区域OH预测结果更加靠近实验结果;采用EPFM模型对SLFM模型耦合GRI-Mech 211的计算结果修正后,NO量级降低近2倍,预测精度明显改善,与实验结果实现较好的符合,验证了化学反应动力学机理以及非稳态效应对氮氧化物预测精度的影响。     

湍流模型对三维翼梢涡流场数值模拟的影响

 梢涡流场数值模拟对减少梢涡的不良影响意义深远。应用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法建立了三维翼梢涡流场数值模型,选用的湍流模型包括两种经典两方程模型和一种代数雷诺应力模型。计算内容包括翼梢涡流场速度分布、压力分布及涡核位置,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于选用的湍流模型中。计算时对翼梢涡涡核处网格进行了加密处理。将计算结果与实验结果对比后发现,修正后的湍流模型较标准湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,具有工程应用价值。     

大厚度翼型分离流场的稳定性探讨

基于k-ω的SST两方程湍流模型,求解了雷诺平均Navier-Stokes方程获得定常和非定常气动力,耦合翼型弹性振动方程,在时间域内模拟了弹性支撑下的大厚度对称翼型流场及其翼型动态过程,研究结果发现：在所给定的雷诺数条件下,弹性支撑下的大厚度翼型在一定大迎角范围内存在分离流场稳态的转化现象,此结果的意义在于：1）同一基本迎角下的翼型分离涡存在多个稳态流场;2）弹性支撑的翼型在大迎角分离流条件下气动力在物理上本身就存在非唯一性,从一个新的角度解释了大迎角气动力测量中的分散性。     

显式代数雷诺应力模型在超声速/高超声速流场计算中的应用

为了提高显式代数雷诺应力模型在高超声速流场中的计算精度,以修正后的CG k-ε模型作为湍流时间尺度决定方程,将Wallin和Johansson显式代数雷诺应力模型(WJ2000模型)应用于超声速/高超声速流场数值计算,并与线性湍流模型的计算结果进行了对比分析。结果表明WJ2000模型对高超声速压缩拐角附近壁面压力和热流分布的预测要优于线性湍流模型,同时网格依赖性明显低于后者;对CG k-ε湍流时间尺度决定方程所做修正不影响WJ2000模型对超声速流场的预测结果,但使其对高超声速流场的预测精度明显提高。     

Sajben扩压器复杂流动中湍流模型的性能评估

用8个常用的湍流模型对Sajben扩压器中跨声速流动进行了数值模拟,评估了Spalart-Allmaras, 标准k-ε, RNG (re-normalization group) k-ε,realizable k-ε,标准k-ω,SST(shear stress transport) k-ω,v2-f,Reynolds stress共8个湍流模型对激波/湍流边界层相互作用的模拟预测能力.通过与实验数据比较发现:SST k-ω模型和v2-f模型比其他模型模拟的更准确,其中SST k-ω模型比v2-f更能准确地预测壁面压力,然而对于分离点、再附点以及分离区长度v2-f比SST k-ω预测得更准确.      

k-kL两方程湍流模型的改进及验证研究

提高湍流数值模拟的准确性,从而明确湍流模型对数值模拟结果的影响具有重要的意义,应用K.S.Abdol-Hamid给出的尺度自适应k-kL两方程模型封闭RANS方程,并修改von Karman长度尺度的限制方法,通过平板、翼型、后台阶等流动的模拟,考察k-kL模型在湍流模拟中的准确性,及其反映主要流动特征的能力和网格收敛性,并对影响流动模拟准确性的因素进行讨论.结果表明:改进长度尺度限制之后的k-kL两方程模型无论是对附着流动还是分离流动都可以给出比较准确的结果.     

壁面湍流模型对湍流分离流动数值模拟的影响

本文用三种近壁湍流模型计算了二个二维的湍流分离流动：单包流动和多包流动。结果表明：二层模型和低Reynolds数模型具有类似的特性。它们基本上给出合理的分离流动结构。壁函数的方法由于对数律的假定基本上不适合于计算湍流的分离流动。     

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

可压缩后台阶流的数值模拟

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用Beam-Warming矢通量分裂格式以及vanLeer的矢通量分裂方法,分别通过Johnson-King及Baldwin-Lomax湍流模型对亚音速和超音速的后台阶流进行了计算,计算结果与实验符合较好。     

Recent progress of machine learning in flow modeling and active flow control

In terms of multiple temporal and spatial scales, massive data from experiments, flow field measurements, and high-fidelity numerical simulations have greatly promoted the rapid development of fluid mechanics. Machine Learning(ML) provides a wealth of analysis methods to extract potential information from a large amount of data for in-depth understanding of the underlying flow mechanism or for further applications. Furthermore, machine learning algorithms can enhance flow information and automat...     

IN 738LC材料Chaboche热粘塑性本构模型的隐式Euler格式

为了提高Chaboche模型的数值积分效率,推导了该模型的Eu ler隐式积分格式,针对IN 738LC材料,将该积分格式编写成FORTRAN程序,利用通用有限元分析软件M arc的用户子程序接口HYPELA 2,将该隐式积分格式与有限单元法结合起来。对实验进行了数值模拟,并将隐式算法和显式算法与实验结果作了对比,结果发现隐式算法是合理的,比显式算法收敛性要好。      

Predicting near-wall turbulence with minimal flow units in compressible turbulent channel flows

Mach number effects on the near-wall turbulence in the absence of outer motions remain unclear so far. The present study extends the Minimal Flow Units (MFUs), a widely applied method to investigate near-wall turbulence free from the impact of large-scale motions in the outer region in incompressible channel flows, to compressible wall-bounded turbulence. The compressible near-wall turbulence in MFU proves accurate in replicating near-wall statistics, independent of Mach number and statistically equivalent to the universal signals extracted from the full-sized channel. It is further utilized as universal signals in the predictive models of compressible near-wall turbulence, which is capable of accurately predicting variances and joint probability density functions of velocity and temperature fluctuations.     

高超声复杂流动中湍流模式应用的评估

本文选择几个高超声速基准流动：二维可压缩拐角、锥柱裙组合体绕流、斜激波与湍流边界层干扰，采用几个常见的湍流模式，BL模式，CHκ-ε模式，κ-ε模式，SST模式，CMOTTκ-ε模式，SHIHκ-ε模式，通过将数值计算结果和实验结果进行比较，对有关的湍流模式地 评估，得到一些有意义的结论。     

基于Reynolds平均的高超声速二方程湍流模型

 在Reynolds平均的框架下推导了可压缩湍流Reynolds应力方程和湍动能方程。根据一定的假设和尺度分析简化并封闭了所推导的湍动能方程。在均匀湍流假设下,湍动能耗散率可分解成可压缩性耗散和旋度耗散,并对其中的可压缩性耗散进行了封闭;同时认为旋度耗散不受可压缩性影响,直接引用传统的Reynolds平均不可压缩湍动能耗散率模型方程。由此构造了适用于高马赫数的二方程可压缩湍流模型。应用所发展的模型计算了高超声速平板绕流,并与若干现有模型的计算、实验与半经验公式的计算结果进行了对比,验证了所发展的模型。在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对所发展的湍流模型,以及若干现有模型进行了对比,显示了不同湍流模型及可压缩性修正在计算壁面压力分布和热流分布上的特点,说明了湍流模型可压缩修正的必要性,得到了所发展模型的计算结果最接近实验结果的结论。