燃烧多相流的介尺度动理学建模研究进展

基于求解Navier-Stokes方程组的传统计算流体力学已经在诸多领域取得了巨大的成功,但在航空、航天、微流控等领域也遇到了新的瓶颈与挑战。其原因分为2个方面：①物理建模层面的问题;②离散格式带来的数值精度和稳定性问题。微尺度燃烧等一系列燃烧新概念的研究表明,特征更加丰富但以前知之甚少的热力学非平衡行为蕴含着大量待开发的物理功能。物理模型合理和具备相应功能是数值仿真研究的前提;物理建模层面的问题无法通过数值精度的提高来解决。本文从物理建模与复杂物理场分析角度,介绍了非平衡燃烧系统离散玻尔兹曼建模方法（DBM）的研究进展。DBM是非平衡统计物理学粗粒化建模理论在流体力学领域的具体应用之一,是相空间描述方法在离散玻尔兹曼方程形式下的进一步发展。它选取一个视角,研究系统的一组动理学性质,因而要求描述这组性质的动理学矩在模型简化中保值;以该组动理学矩的独立分量为基,构建相空间,使用该相空间和其子空间来描述系统的非平衡行为特征;研究视角和建模精度随着研究推进而调整。借助DBM可以研究反应过程中不同自由度内能之间的不平衡和相互转换等Navier-Stokes模型无法模拟的动理学过程。在内爆和外爆过程中,几何汇聚与发散效应等效于一个"外场力",在球心处系统始终处于热力学平衡态;在冯·纽曼压强峰处,系统不是偏离平衡最远,而是在平衡态附近;在冯·纽曼峰后反应区以外,Chapmann-Jouguet理论值、Zeldovich-Neumann-Doering （ZND）理论值和DBM结果相互验证;在反应区内DBM结果与ZND结果一致;在冯·纽曼压强峰前的压缩阶段,DBM模拟结果在物理上更合理。在冲击压缩过程中,相对于其他自由度,压缩波所在自由度上的内能先增加,因而这一自由度上的内能总是朝着正向偏离其平衡态值,而横向自由度上的内能总是朝着逆向偏离其平衡态值。在二流体模型视角下,反应物和产物朝着相反的方向偏离热力学平衡态。     

离散时空直接建模思想及其在模拟多尺度输运中的应用

统一气体动理学格式是基于离散空间直接建模的思想构建的多尺度数值格式。本文对统一气体动理学格式近十年的发展进行总结,并对未来的发展方向进行展望。统一气体动理学格式的建模思路突破了传统偏微分方程数值离散求解的制约,回归物理建模的出发点,基于守恒定律在离散时空有限尺度的控制体上进行建模,利用网格界面处的动理学方程时间演化解构建数值通量,从而构造出有限控制体上取决于网格尺度和时间步长的气体动力学控制方程。统一气体动理学格式建模有两个关键点:一是宏观守恒量与微观分布函数耦合演化,二是通过界面处的多尺度时间演化解构建数值通量。统一气体动理学格式是一种多尺度数值格式,根据网格努森数能够准确捕捉从稀薄到连续不同流域的流体物理。从某种意义上说气体动理学格式提供了有效的随不同网格努森数变化的连续性方程,即连续流的纳维-斯托克斯(N-S)方程和稀薄流的波尔兹曼(Boltzmann)是统一气体动理学格式在网格努森数很小和很大情况小逼近的两个极限方程。对于连续流的黏性边界层问题的捕捉,统一动理学格式不要求网格尺度小于粒子平均自由程。统一气体动理学格式成功应用于多尺度气体输运,等离子体输运,中子、光子输运,以及气固离散两相流等领域的数值模拟,在计算精度和计算效率上都体现出明显优势。尤其对于等离子体的输运计算,统一气体动理学格式提供了一个在连续变化尺度上的模拟方法,包括从求解电子、离子的自由输运的Vlasov动理学方程到连续流域内的双流体方程以及磁流体方程。本文总结了统一气体动理学格式的建模思想,数值性质,以及格式在不同领域的应用。     

高速可压反应流的二维简化离散玻尔兹曼模型

如何有效模拟高速反应流现象是当前航空航天、能源与动力工程等领域的难点和热点。为此,本文提出了适用于超声速可压缩反应流的简化离散玻尔兹曼模型（DBM）。该模型基于动理学方法,使用形式统一的离散玻尔兹曼方程描述化学反应流的演化过程。在方程右侧,通过化学反应项将化学反应与多物理场自然耦合。该DBM使用二维九速模型,其离散速度分为三组,每组大小独立可调。为了描述分子转动和振动对应的额外自由度,引入了三组独立可调的参数用于描述额外自由度部分的内能。由此,该DBM具备了模拟比热比可调的反应流系统的功能。另外,平衡态离散速度分布函数与化学反应项各自满足九个独立的矩关系,其表达式都可以通过矩阵求逆的方式获得。通过ChapmanEnskog多尺度分析可以证明,该DBM除了能够在连续性极限条件下恢复描述化学反应流的Euler方程组之外,还具有描述一定热力学非平衡行为的功能。最后,通过数值算例表明,该DBM的数值结果与理论解吻合。     

基于UML的无人机飞控系统建模

针对无人机飞控系统功能及其复杂而又难以比较全面的描述,提出利用面向对象统一建模语言UML对飞控系统进行建模,可直观地描述飞控系统,并可以从不同角度较全面地描述飞控系统。首先简要介绍了飞控系统的原理和功能,在此基础上,利用UML例图、类图、协作图、顺序图、活动图,分别从整体、静态、动态角度描述了飞控系统。使用这种方法对飞控系统建模可应用在无人机系统仿真建模中,对无人机系统仿真建模具有积极的研究意义。     

基于模型的飞机复杂功能分析方法研究

当前飞机总体设计面临功能复杂,系统交联紧密的问题。针对复杂功能离散事件多、动态性强、耦合度高、建模表述困难的特点,提出一种基于模型与数据定义相结合的分析方法,进行飞机复杂功能解耦设计。该方法通过功能逻辑模型和数据建模,实现对相关系统的架构设计,完成逻辑接口向物理接口的迭代映射,最大限度保证复杂功能的相关系统接口清晰、模块划分合理,有效的提高了系统设计和验证的效率。     

多模态瑞利-泰勒不稳定性的离散玻尔兹曼数值研究

瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor,RT）不稳定性广泛存在于自然界和工程领域，认清RT不稳定性演化过程中的物理机理具有重要的理论意义和实用价值。本文利用离散玻尔兹曼方法模拟了可压缩流体的RT不稳定性现象，并利用该方法对界面连续的随机多模初始扰动的可压缩RT不稳定性进行了数值研究。研究结果表明，在温度梯度的影响下，与热通量相关的热力学非平衡强度呈现先增大后减小的趋势；在热扩散作用下，界面上的热力学非平衡强度先减小后增大，继而影响热力学非平衡区域的占比，使之呈现相同的变化趋势。最后，分析了全局平均热力学非平衡强度随时间的演化规律，发现在宏观物理量梯度和热力学非平衡面积的共同作用下，全局平均热力学非平衡强度先增后减，最后趋于稳定。不仅如此，热力学非平衡区域面积的增大（减小）会增强（减弱）热力学非平衡的强度；同时，物质界面物理量梯度的增大（减小）对全局平均热力学非平衡强度也有相同的影响，二者相互作用、相互竞争。     

驻点流中的颗粒动力学

驻点流中的颗粒动力学可见于化工管道输运、航空发动机叶片等,相应基础研究的开展是为了建立可预测的两相流模型.针对化工管道中的驻点流颗粒问题,采用颗粒解析的直接数值模拟方法,对颗粒动力学与流体动力学的耦合机理进行了研究.研究发现,单个有限尺寸中性颗粒在驻点流对称轴上的动力学非常反常:远离壁面的时候,无论颗粒的有限尺寸或惯性大小,颗粒动力学呈现示踪粒子行为;靠近壁面,示踪粒子行为不再成立.开发了可以自适应颗粒惯性并且可以反应真实物理材料特性的弹性碰撞模型.研究发现,颗粒相对携带流体的惯性是驻点流颗粒动力学的关键.加速/减速流场导致的无黏环境压力是产生反常的流体力驱动的颗粒非接触反弹现象的根本原因.     

超声速PIV示踪粒子布撒技术研究

介绍了上海交通大学高超声速创新技术研究实验室为发展超声速PIV流场测试系统而开发的示踪粒子布撒技术。研究中设计了一套超声速风洞PIV示踪粒子布撒装置,提出了利用发生器罐体内的真空度吸入示踪粒子的加注方式,选定了测试流程时序并得到了较好的粒子布撒效果。通过比较不同的发生器罐注入压力对粒子布撒浓度的影响,得到了效果良好的测试方案。     

微灌滴头平角齿形微通道流动实验研究

采用Micro—PIV技术,以边长800 μm方形截面平角齿形微灌滴头内流微通道为对象,对微通道内流体运动进行了测量。实验使用lOx显微物镜、14位灰阶PC01600相机、3μm荧光示踪粒子和仅允许610nm红光透过的滤光镜相配合、获取了清晰的粒子图像,解决了相机与PIV系统的匹配问题,提高了图像信噪比。在图像处理中使用多次测量取平均的方法消除示踪粒子的布朗运动影响,运用系综互相关算法获取流场速度分布和流线图。实验发现微通道内各齿间流动结构基本一致,即通道内流充分发展后是一种周期性流动;通道顶角和转角内侧存在低速涡旋区,其涡旋结构和尺度随时间和Re变化而变化;颗粒在低速涡旋区易发生沉积,是造成堵塞的主要原因。     

微机电系统MEMS仿真与建模

微机电系统是源于微电子加工技术,融合了微机械制造、传感、致动及微控制于一体的系统。微机电系统融合了力、电、流体、光、磁、热等多个物理域,随着建模与仿真技术的迅速发展,研究有关微机电系统建模与仿真的基本理论和方法。