基于模型的机电系统多物理域仿真技术应用研究

针对新一代飞机机电系统功能高度集成、系统架构和接口设计复杂等特点,基于LMS Imagine.Lab仿真平台,开展了基于模型的机电系统多物理域仿真技术应用研究。采用系统建模软件AMEsim构建了某型飞机机电系统不同层次(架构层、功能层、性能层)的系统仿真模型,实现了多物理域仿真模型联合仿真与调试的关键技术过程,应用结果证明该方法可以为机电系统的综合权衡提供一种有效的实施途径。     

压气机叶片流固耦合数值计算

采用流固耦合方法对压气机单排跨声叶片进行气动弹性数值模拟.首先对压气机流场进行三维定常求解,并与试验结果进行比对.在定常流场分析的基础上,进行流固耦合计算,采用非定常方法分别求解流体域Navier-Stokes(N-S)方程和固体域结构动力学方程.耦合过程中,流体域和固体域在物理边界上进行能量传递.计算结果表明:所采用的流固耦合数值方法用于判断叶轮机械叶片气弹稳定性是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

流体运动中的非Fourier传热

 分析了运动流体中非Ｆｏｕｒｉｅｒ传热的数理基础。运用特征一次特征方法阐明基本方程组的影响域、决定域等概念及其物理内涵；强调热Ｍａｃｈ波的存在。以流动中固定热源问题证明基本关系正确；并给出当流动速度不小于热传播速度时,流汤中发生热激波。     

气氢液氧同轴式单喷嘴燃烧室热态流场计算

建立了欧拉－拉格朗日坐标系下液体火箭发动机内部工作过程二维轴对称两相湍流化学反应流的完全Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ模型。应用该模型对气氢液氧同轴式单喷嘴燃烧室热态流场进行了数值模拟，得到了全流场的速度矢量分布、燃气组分等值线、流场等温线、流场等压线和流场等马赫线。计算是在任意斜交曲线坐标系下进行的，采用等参数正变换（代数变换）把物理平面上不规则计算域变换成了计算平面上的矩形域，控制方程也进行了相应的变换。计算结果表明，用计算流体力学（ＣＦＤ）的方法研究和分析液体火箭发动机内部工作过程是可行的。     

旋翼三维非定常跨音速绕流的数值模拟

 利用小扰动位势方程，用有限差分方法求解了旋翼跨音速流场。导出了严格的三维非定常位势方程远场无反射边界条件，并成功地用于数值计算中，缩小了物理求解域的空间尺度。采用了贴体坐标和网格加密技术，以得到合理的非均匀网格分布。应用较少的网格点数成功地计算了无升力情况下旋翼的三维非定常亚、跨音速绕流流场，得到了与实验结果符合良好的数值解     

基于线性矩阵不等式的电传飞机人机闭环系统稳定域

 针对静不稳定电传飞机作动器速率限制环节引起的Ⅱ型驾驶员诱发振荡(PIO)严重威胁飞机飞行安全的问题,研究了考虑作动器速率限制因素的人机闭环系统稳定域。引入增广状态变量分离速率限制环节,建立了人机闭环系统饱和非线性模型。为得到尽可能大的人机闭环系统稳定域估计,首先将稳定域求解问题转化为凸优化问题,再通过Schur补引理将其转化为线性矩阵不等式的求解问题,最终得到了人机闭环系统椭球体稳定域估计的一般算法。时域仿真研究表明:所估计的稳定域略微保守但不冒进,静不稳定电传飞机的Ⅱ型PIO是一种发散很快的振荡而非极限环振荡,驾驶员操纵增益以及作动器速率限制值是影响稳定域的重要因素。稳定域法物理意义清晰、结果直观,可用于非线性人机闭环系统稳定性的评估。     

网格分区构筑中区域边界的隐式处理方法

介绍一种网格分区构筑中区域边界的隐式处理方法──ADMZI法。该方法具有简单实用、数据结构灵活等特点,特别适合于区域边界难以确定的情况。将该方法应用于多级火箭级间分离时的流场物理域网格构筑,结果证明是成功的。     

可压缩流动模拟的多重网格-扰动域推进方法

针对可压缩流动数值模拟的加速需求，在作者前期提出的扰动域推进计算框架下，融入多重网格加速技术，提出了多重网格-扰动域推进方法。建立了粗、细网格上动态计算域的更新逻辑与高效算法，并针对多重网格方法的特点，对粗网格初始化、增大对流动态域等步骤进行了改进。设计了新型粗网格生成策略，可消除结构网格粗网格生成对单元数目的限制。典型算例验证表明，多重网格-扰动域推进方法可同时降低粗、细网格上的计算量并减少总迭代步数；通过在粗、细网格上同时采用随数值扰动传播而增大、随求解收敛而缩小的动态计算域，多重网格-扰动域推进方法可在传统多重网格方法加速的基础上再将计算效率提升57.9%。     

物理启发的深度学习模型及其在热端部件散热中的应用

热端部件散热是众多空天设备的关键技术。表面温度分布是散热设计中用到的重要信息,常规的解析建模手段和机器学习方法均无法有效地表达此类高维信息。近年来兴起的图像深度学习算法是解决表面温度信息预测的有效手段。然而,现有的基于大数据的深度学习方法往往对于物理数据和小样本数据不适用,体现为泛化精度差、数据兼容性差、可解释性差。因此,有必要结合传热的先验知识发展物理启发的新型深度学习算法,以增强高自由度、高复杂度散热对象上的设计能力。本文基于卷积算子和有限差分求解方式的类比关系,提出了一种物理启发式的循环卷积神经网络。以横向出流的冲击冷却为例,开展了变计算域大小、变工况、变尺寸的批量数值模拟,获取了冲击冷却关键特征的小样本图像数据。进一步通过神经网络的训练,构建了多参数、大范围内有较好拟合能力的温度、传热系数、压力代理模型。研究结果表明,本文提出的物理启发神经网络模型,对于计算域大小没有限制,可以统一表达不同空间范围内获取的物理数据的共性规律。模型的各类超参设定均具有明确的物理意义,且与经典的微分方程求解理论有一定的类比关系,增强了神经网络调参的方向性。通过传热物理规律与黑箱模型的融合,本文实现了小样本多参数物理数据的共性建模。该方法可以迅速重构热端部件的高维分布信息,可服务于热端部件的快速分析设计以及优化。     

FRFT域能量谱模拟电路故障特征提取方法

故障特征提取是模拟电路故障诊断的关键技术之一,为了提高故障特征的可诊性,提出 1种基于分数阶傅里摘叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)域能量谱的模拟电路故障特征提取方法。首先,采集测试节点电压信号并将其映射到不同的 FRFT域空间中(p从 0变化到 1);然后,计算所有 FRFT域空间中的能量谱峰值并将其作为故障特征;最后,将归一化后的特征用于训练最近邻分类器进行诊断验证。与现有的 FRFT故障特征提取方法相比,该方法减少了计算量,且提取的特征能够在所有 FRFT域中更全面地反映不同故障响应信号的细微差异,有利于提高故障特征的可分性。在仿真和物理电路上进行了验证,实验结果表明:所提方法能提高故障诊断准确率,且时间复杂度有明显改善。     

离心式喷嘴内流场特性的数值模拟

基于单流体模型及气液两相混合分数的概念，建立了离心式喷嘴内流场的数学模型，并进行了数值计算，计算结果给出了离心式喷嘴内部液膜与气涡共存的流场结构及气液交界面的几何形状，计算得到的壁面压力分布、出口处液膜内轴向速度分布以及雾角大小都与实验结果吻合的很好，与常用的跟踪气液界面的ALE方法相比，本文建立的数值模拟方法具有简单，计算量小和易于实现的特点。     

环形燃烧室冷态流场数值模拟中的数学方法

针对带双级径向旋流器环形燃烧室火焰筒,研究不同紊流模型(standardk-εmodel,RNG(renormalization group)k-εmodel和代数应力模型(algebraic stress model))及算法(SI MPLE(semi-i mplicitmethod for pressure-linked equations),PISO(pressure i mplicit split-operator))对复杂流场求解准确性及效率的影响.火焰筒三维贴体网格采用型线定点与偏微分方程相结合的方式生成,用壁面函数法处理近壁区域流动.计算结果表明,PISO算法提高求解效率;不同紊流模型预测结果均与试验数据符合较好,其中代数应力模型最为准确,更适用于复杂流场的数值预测.      

固体火箭发动机内轴对称两相流场的一体化数值模拟

将固体火箭发动机燃烧室和喷管作为一个整体，应用时间相关法进行了轴对称两相流场的一体化数值模拟。对气相采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式差分格式，对颗粒相则采用特征线法进行计算。计算结果表明该方法可以对带潜入式喷管的发动机内复杂的两相流场进行有效的数值模拟。     

固体火箭喷管两相粘性跨音速流场计算

本文进行了固体火箭喷管两相粘性湍流跨音速流场计算.粘性的气相控制方程用隐式近似因子分解法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,粘性湍流选用代数模型,气相和凝相充分地偶合.CFL数可以取500左右,收敛速度快,使粘性两相跨音速喷管流场计算耗费的机时达到工程计算可以接受的程度.通过计算,获得了在粘性和粒子同时作用下的流场参数分布.这对固体火箭发动机流场需要同时考虑粒子和粘性作用的专题研究大有裨益.     

RNG k-ε模型数值模拟油雾燃烧流场

采用RNG(R enorm alization G roup)k-ε紊流模型对某环形燃烧室火焰筒内三维两相燃烧流场进行数值模拟。运用偏微分方程法和区域法生成贴体网格,EBU-A rrhen ius紊流燃烧模型估算化学反应速率,六通量热辐射模型估算辐射通量。在非交错网格下求解气相采用S IM PLE算法,液相采用颗粒轨道模型和PS IC算法。近壁区处理分别采用两层和三层壁面函数。计算数据与试验值比较表明,采用三层壁面函数的RNG k-ε模型更适用于模拟三维两相燃烧流场。      

大流量同轴式喷注器雾化过程及喷雾两相流数值模拟研究

对大流量同轴式喷注器的雾化性能进行了理论和试验研究，建立了喷注器雾化过程的理论模型，提出了应用随机方法来描述液滴初始参数的喷雾模型，并对喷注器下游液雾两相流场进行了数值模拟研究，计算结果和试验结果符合较好，得到了喷注器结构参数和工作参数对其雾化性能的影响规律。     

固体火箭喷管颗粒尺寸分级两相跨音速流场计算

本文中对固体火箭喷管颗粒尺寸分级的两相跨音速流场作了计算.气相控制方程采用隐式近似因子分解法求解,尺寸分级的颗粒控制方程采用特征线求解,然后,二者进行充分的耦合,可以获得固体火箭发动机含有任意颗粒质量分数和不同颗粒尺寸时轴对称喷管跨音速流场的参数分布.文中讨论了不同颗粒半径和质量分数对流场的影响,对单一颗粒尺寸和颗粒尺寸分级的参数进行了比较.两相耦合计算的迭代收敛速度取决于气相,本文中气相方程求解的格式除部分边界外是隐式的,CFL数可取至6左右,收敛速度快.特别是对颗粒尺寸分级的计算,得益更大,其得益的倍数为颗粒的分级数.     

一种模拟喷管二维流场的新方法

采用ＳＩＭＰＬＥ方法对固体火箭发动机喷管进行了纯气相流场的数值模拟。推导了建立在同位网格之上利用协变物理速度分量为计算变量的离散方程，采用协变物理速度分量推导压力修正方程，对密度采用一阶迎风格式插值，将ＳＩＭＰＬＥ方法扩大到计算可压流动。计算结果表明：本方法计算精度高，收敛速度快，程序编写简单。     

固体火箭喷管两相流中微粒直径的实用拟合公式

根据国外实际发动机试车实测的喷管两相流中微粒直径等参数，用多参数最小二乘法拟合出较方便实用的质量加权平均直径Ｄ４３计算公式，以作为预估发动机性能的依据。     

结冰模拟软件AERO-ICE中的关键数值方法

自然积冰对于航空飞行安全造成重大隐患,飞机在穿越富含过冷水汽的云层时冰形将按一定的物理规律积聚生长。介绍了一款三维结冰数值模拟软件AERO-ICE,该软件由网格自动生成、空气流场RANS计算、水滴场欧拉方法计算、结冰热力学分析四个模块组成。在空气流场计算方面,采用SPF k-v²-ω湍流模型,该模型引入湍流非平衡特性修正,预测的带冰翼型最大升力系数和失速攻角相对SA和SST模型有显著的提高。水滴场欧拉方程由于源项较大,迭代求解时容易发散,AERO-ICE软件采用流场光顺、二阶MUSCL空间离散以及LU-SGS隐式时间推进方法改善了数值稳定性。在结冰热力学分析模块,AERO-ICE软件同时具有Messinger与Myers模型,并将Messinger模型预估的壁面温度作为Myers模型的边界条件,从而解决了Myers模型温度设置的经验性问题。AERO-ICE软件支持多块网格、多重网格加速技术与大规模并行计算,其冰形计算结果得到了初步的验证。