基于特征正交分解的跨声速流场重构和翼型反设计方法研究

在二维流场的重构问题中应用特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)数据处理方法。利用CFD技术计算得到的流场快照对气动力模型进行降阶,然后利用基于POD的降阶模型(Reduced Order Model,ROM)对所需的流场参数进行重构,在快照范围内可以得到高精度的结果,且具有一定的外插能力。在翼型反设计问题中该方法仍然是成功的,通过修正快照向量,利用基于POD降阶模型的数据重构方法,由已知的翼型表面压力分布通过反设计就能够高效精确地得到对应的最优翼型形状,这极大地简化了翼型反设计问题。本文分别在跨声速范围对RAE 2822翼型的流场重构和Korn翼型及NACA 63212翼型的反设计进行了验证,证明了基于POD的流场重构和翼型反设计方法的有效性和高效性。     

基于熵产理论设计方法的多目标翼型优化

将熵产理论引入翼型的多目标气动优化设计,通过理论推导湍流流场熵产率计算公式,进而阐述熵分析方法在翼型气动优化中的作用。通过CST参数化方法对翼型进行参数化建模,并将多目标优化算法与CFD计算耦合起来,计算翼型升阻比和流场熵产率,建立一种以最大升阻比和最小熵产率为目标的翼型优化方法,进而得到优化翼型的Pareto解,并与传统翼型优化方法进行对比。与初始种群相比,优化翼型具有更优的气动性能,在升阻比提高的条件下,流场熵产率减少,能量效率提高。采用多目标遗传算法得到的非支配解集分布均匀,质量较高,设计者可以根据设计需要选择具有相对低熵产的一组翼型来改善空气动力性能。结果分析表明,本文所建方法具有较强的全局收敛性,具有一定的工程应用前景。     

改进型Gappy POD翼型反设计方法

 为了提高基本Gappy本征正交分解(POD)翼型反设计方法的精度,在原始方法快照采样过程中,调整参数化方法,并用已产生翼型中压力分布最接近目标压力分布的翼型替换基础扰动翼型,形成最优快照替换采样法。在迭代求解阶段,根据迭代产生的压力分布与迭代产生的翼型实际压力分布之间的误差,引入校正快照,并据此调整目标压力分布,形成校正迭代法。实际算例表明,最优快照替换采样法所采集快照张成的空间较原始采样法更接近设计目标。而校正迭代法较原始迭代法能明显提高反设计精度。但最佳模态数量的选择对于Gappy POD翼型反设计方法仍然是一个难点。     

基于两层POD和BPNN的翼型反设计方法

翼型优化过程需要大量的 CFD 分析,计算量大、耗时长。本文发展基于本征正交分解（POD）和反向传播神经网络（BPNN）的翼型反设计方法,该方法的优化过程如下：首先,通过 Hicks-Henne 参数化,在设计空间中构造翼型外形的样本库,并利用 Xfoil/Fluent 对样本翼型的流场进行求解;然后,对翼面压力系数和几何外形分别建立 POD 模型,即两层 POD 模型,并得到对应的基模态系数;最后,使用 BPNN 建立从压力系数的基模态系数到几何外形的基模态系数的映射,实现在给定压力系数下对几何外形的快速预测。通过算例分析,结果表明：在亚/跨声速状态,基于 200 个样本训练所得的两层 POD+BPNN 模型可以实现对具有目标压力系数分布的翼型的预测,其精度满足翼型反设计要求。     

一种用于间断装配的流场结构辨识算法

使用激波装配法时,初始激波是否准确将会对计算过程产生影响。为了确定初始激波的位置,提出了一种新的流场结构辨识算法。该算法以捕捉法计算得到的流场作为系统观测数据,根据密度、压力等参数从该数据中获取激波和接触间断等流动特征周围的网格节点作为离散点集。通过将该离散点集分割成若干子区域,在各子区域内进行分片拟合,最终将离散点集拟合成连续光滑的实体模型,并将此作为初始激波面。在二维方法的基础上,通过引入单位球模型成功将该辨识算法拓展到三维应用。结果表明,采用该方法获得的间断曲面(激波和接触间断)与捕捉法流场中的间断分布吻合较好,作为初始间断面用于装配法可快速得到收敛解。该方法解决了应用激波装配法时确定初始间断面的难题。此外,该方法还可用于网格自适应方法。选择不同流动参数,可以获得相应流场特征结构的空间曲面,在此曲面的基础上可进行网格局部加密或重剖分。该流场结构辨识算法用于网格自适应具有网格尺度自由设置的优势。     

基于本征正交分解的流场快速预测方法研究

对于飞行器气动设计,通过实验或CFD计算获得所有设计状态处流场信息成本高、耗时长,难以满足工程应用要求。利用基于本征正交分解(POD)降阶模型结合相应的插值方法,只需要通过实验或CFD计算获取有限个数的采样流场,可以快速预测出具有满足精度要求的设计状态处流场信息。首先,证明对POD基系数插值获取预测流场与对采样流场直接插值获取预测流场的等价性,并分析采样流场分布的要求。然后,以三段翼型流场作为研究对象,POD降阶模型分别与三次样条插值和径向基插值结合,实现设计状态处流场信息快速预测。最后,通过将流场预测结果与相同条件下的流场CFD计算结果对比,表明了POD降阶模型结合两种插值方法的各自特性。     

基于本征正交分解和代理模型的流场预测方法

 为了实现流场的快速求解,基于本征正交分解(POD)与代理模型提出了一种全新的流场预测方法。其基本原理为:首先采用本征正交分解将一定数量的样本流场分解为同等数量的基模态流场;然后用少数包含了绝大部分样本流场特征的基模态流场拟合所有的样本流场;最后用代理模型建立起决定样本流场的输入参数与拟合系数之间的近似函数关系。针对几何外形不同的二维翼型定常流场预测结果表明:在亚声速情况下,预测误差收敛的模态数量不超过20个,继续增加模态的使用数量不能明显提高预测精度;在跨声速情况下,预测误差收敛的模态数量为26个,当使用的模态数量达到前10个时,继续增加模态的使用数量能提高绝大部分流场区域的预测精度,但同时会在激波附近引入"噪声"激波特征而降低该区域的局部预测精度。在这两种情况下,预测流场所需时间均不到高精度计算流体力学(CFD)方法的1/200。     

超声速翼型气动优化设计

首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法(GA)和气动力快速工程算法,对于相对厚度为3.5%的多边形翼型进行优化设计,多边形翼型的优化外形趋于四边形,最大厚度点后移到翼型弦线的60%左右,随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄,上翼面变厚,最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4%的双圆弧翼型,采用两步优化设计方法,第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换(CST)参数化方法与小波分解方法,实现几何外形的局部控制与光顺处理,并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低优化过程中流场计算的工作量;第2步优化采用基于Navier-Stokes方程的最速下降法(SDA),修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差;优化设计得到的翼型近似为四边形,其相对厚度最大点后移到翼型弦线的60%~65%处,升阻比可以提高7%。     

欧拉方程多段翼型绕流计算的嵌套网格方法

本文采用嵌合体埋入技术，将主段翼型和襟翼分成两子域，对多段翼型的复杂构型进行了分区迭代求解，在有限体体积离散的基础上，求解欧拉方程计算各子域流场的解，通过各流场的耦合迭代到多段翼型绕流的解，典型的带３０％襟翼ＧＡ（Ｗ）－１翼型算例表明，该计算方法稳定，能较地模拟多段翼型中主段翼型与襟翼交接处的复杂流动现象计算结果与实验值有较好的一致性。     

高升阻比翼型的设计

使用解析形状函数法和参数化翼型表示方法,将求解绕翼型流场的N-S方程解与优化方法相结合,可设计出新的高升阻比翼型.计算结果表明,设计的新翼型满足设计要求,且获得比原始翼型高得多的升阻比,翼型设计方法是实用的.参数化翼型表示法比解析形状函数法对给定的初始翼型离散数据的准确度影响更小,更适合用于新翼型的设计.     

近距-1协议在星间测距中的应用

针对近距航天器测距的需要,将CCSDS(空间数据系统咨询委员会)近距-1协议的定时业务与微波双向单程测距法相结合进行测距。该法以直序扩频技术来获得高精度传输帧ASM(附属同步标识)最后1位下降沿的时刻,并以时间码形式,通过帧数据域在测距星之间相互对传,综合考虑协议给出的信号物理特性,对所给出的方法进行了误差分析。分析表明,航天器之间距离不远,相对速度不大时,该法具有较高精度,且与数据通信共用1套设备,降低了成本。     

一种高效的壁面距离计算方法

采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术进行湍流效应数值模拟时,经常需要计算流场网格点到最近壁面的距离。当网格规模很大,特别是针对一些动网格问题,壁面距离的计算量很大且费时,影响整个流场求解效率。本文对壁面距离计算的直接算法和基于二叉树技术的ADT(Alternating Digital Tree)快速算法进行了对比分析和研究,提出了一种高效的、基于方盒切割技术的快速计算方法,并采用不同外形的CFD计算网格对该方法进行了验证。计算结果表明,新方法的壁面距离计算效率明显高于直接算法和ADT算法,并具有较好的鲁棒性和通用性,可以便捷地移植到现有的CFD计算程序中,从而提高整个流场的数值计算效率。     

外吹式襟翼动力增升数值模拟方法研究

针对某运输机简化模型,采用数值模拟分析的方法开展了外吹式襟翼动力增升效能分析研究。本文首先对单独的发动机模型和不带动力装置的增升模型进行数值模拟,计算结果均与实验值吻合良好,表明动力增升效能分析所采用的边界条件处理方法、网格生成策略以及流场计算方法的合理性及适用性。在此基础上对动力增升构型在带发动机喷流效应和通气短舱的两种情况进行数值模拟与对比分析。结果显示其增升效果显著、流场结果合理。表明本文所形成的计算方法与技术思路可靠的、有效的,方法对大型运输机外吹式襟翼动力增升系统的设计分析具有一定的应用价值。     

基于ABAQUS的数控弯管专用前处理模块开发

为了提高数控弯管有限元建模的效率和尽可能避免建模错误,采用ABAQUS提供的用户图形工具包和Python脚本接口,通过二次开发得到了数控弯管专用前处理模块。采用该模块,用户只需输入模型的建模参数、材料属性、模具运动幅值曲线、摩擦系数、分析步时长、文件保存名等信息,便可高效地建立管材数控弯曲及回弹分析的有限元仿真模型,提交后台运算后可以为后处理的快捷高效运行提供简洁而详实的数据源。通过将上述研发的数控弯管前处理模块应用于钛合金管数控弯曲的建模分析,验证了其可靠性。采用此方法,可以实现通过有限元软件ABAQUS进行用户定制,降低ABAQUS的操作难度,同时,本文前处理二次开发思路同样适用于其它塑性成形过程。     

飞机乘员应急撤离可视化仿真方法研究

本文提出一种大型飞机应急撤离的三维可视化仿真方法。通过元胞自动机模型进行二维仿真,得到撤离路径,再结合数字化平台Delmia上建立的大型飞机客舱三维可视化仿真环境,进行飞机应急撤离的三维可视化仿真。通过仿真可以对飞机应急撤离的时间、撤离行为进行评估与分析。结果表明:该方法对于大型飞机总体初期方案设计中的应急撤离过程的评估和结构布局优化工作以及适航符合性研究具有周期短、费用低的优势,具有良好的工程应用价值。     

基于BP神经网络的翼型空气动力系数预测

本文介绍了BP神经网络的基本原理,建立了面向BP神经网络预测模型,对翼型的升力系数和阻力系数进行预测,并与风洞试验数据对比分析。结果表明,神经网络的预测精度很高,与试验数据的误差是可以接受的,验证了BP神经网络预测空气动力系数的可行性。     

IP over CCSDS/AOS空间通信QoS保证方法

首先分析空间通信体系发展趋势,提出基于IP over CCSDS/AOS的空间通信模型。在分析总结了地面网QoS(服务质量)机制和AOS(高级在轨系统)虚拟信道调度机制的基础上,提出一种IP(互联网协议)网络层区分服务与数据链路层AOS虚拟信道动态调度相结合的QoS保证方法。该方法将网络层的业务等级划分映射到AOS的虚拟信道分配算法中,并在此基础上实现AOS虚拟信道的动态调度,提高包括话音、视频在内的综合业务在空间链路传输的性能。     

气动力配平及配平损失计算方法研究

本文介绍了飞机气动力配平计算、重心转移俯仰力矩计算与气动配平损失计算的工程算法,并在此基础上进行改进:在计算配平气动力之前对原始风洞实验数据加以处理,得到多个定迎角变平尾偏角的数据文件。以某运输机为算例,分别使用直接风洞实验数据和处理后的风洞数据进行配平气动力和气动配平损失计算,对比两者的计算结果可以看出,本文改进的方法计算结果准确,具有一定的可行性。同时,使用MATLAB软件作为计算工具,提高了计算效率。     

含分层损伤复合材料层合板压缩剩余强度计算

本文针对含分层损伤复合材料层合板,基于三维复合材料累积损伤分析方法,应用了非线性有限元技术,考虑了子层屈曲对层合板剩余强度的影响,提出了一种含初始分层损伤的复合材料层合板压缩剩余强度计算方法。在ANSYS软件平台上利用APDL语言编写相应的计算程序,对五块含不同初始分层损伤的复合材料层合板进行了压缩剩余强度计算和结果分析,计算结果与试验结果相比较,吻合良好。     

以啮合性能为判据的弧齿锥齿轮加工方式评价

以设计要求的齿面接触印痕和传动误差曲线为目标,探讨采用展成法加工弧齿锥齿轮小轮时变性与否的问题。为此,给出了小轮加工参数形成过程中变性法与不变性法的数学特征,基于局部综合法得到了与这两种加工方式相对应的加工参数及齿面模型,在此基础上经轮齿接触分析得到了啮合性能即齿面接触印痕和传动误差曲线,将其与设计要求相对比,以评价加工方式的合理性。对某航空弧齿锥齿轮的啮合过程进行了数值仿真,结果表明不变性法比变性法得到了更好的啮合性能。