间断Galerkin有限元隐式算法GPU并行化研究

为了提高间断伽辽金（discontinuous Galerkin, DG）有限元方法的计算效率,围绕求解Euler方程,构建了基于图形处理器（graphics processing unit, GPU）并行加速的隐式DG算法。算法结合Roe格式进行空间离散,采用人工黏性法处理激波等间断问题,时间推进选用下上对称高斯-赛德尔（lower-upper symmetric Gauss-Seidel, LU-SGS）隐式格式。为了克服传统隐式格式固有的数据关联依赖问题,借助于本文提出的面向任意网格的单元着色分组技术,先给出了LUSGS隐式格式的并行化改造,使得隐式时间推进能按颜色组别依次并行,由于同一颜色组内算法已不存在数据关联,可以据此实现并行化。在此基础上,再结合DG算法局部紧致等特点,基于统一计算设备架构（compute unified device architecture, CUDA）编程模型,设计了依据单元的核函数,并构建了对应的线程与数据结构,给出了DG有限元隐式GPU并行算法。最后,发展的算法通过了多个二维和三维典型流动算例考核与性能测试,展示出隐式算法GPU加速的效果,且获得...     

基于离散伴随方程的三维雷达散射截面几何敏感度计算

针对有限差分法计算雷达散射截面（RCS）梯度效率低，采用高精度雷达散射截面评估时计算代价高的问题，提出了一种基于麦克斯韦积分方程离散伴随方程的RCS梯度高效计算方法。基于伴随方程的梯度计算可以通过一次雷达散射截面求解、一次伴随方程求解获得RCS关于所有设计变量的梯度。其中麦克斯韦积分方程离散伴随方程的形式与原方程基本一致，可以采用矩量法（MOM）及多层快速多极子算法（MLFMA）求解。伴随方程求解计算量与直接雷达散射截面评估基本一致，存储量在直接雷达散射截面评估的基础上增加不明显。通过双椎体模型、导弹模型对基于矩量法、多层快速多极子算法的伴随梯度进行验证，证明了基于伴随方法的RCS梯度计算可以实现复杂外形中RCS梯度的高效、高精度求解，为基于梯度的高精度气动/隐身一体化优化提供了基础。     

高阶精度DG/FV混合方法在二维粘性流动模拟中的推广

DG/FV混合方法因其具有紧致性、易于推广至高阶及相比同阶DGM计算量、存储量小等优点,已成功应用于一维/二维标量方程和Euler方程的求解。在此基础上,将该方法推广于二维三角形/矩形混合网格上的NavierStokes方程数值模拟,将格式形式精度提高至4~5阶。物理量的空间重构及离散使用DG/FV混合重构方法;无粘通量计算采用Roe格式;粘性通量计算采用BR2格式;时间方向离散采用高阶显式R-K方法或隐式方法。利用该方法计算了有解析解的Couette流动问题以验证几种格式的数值精度阶,并计算了层流平板流动和定常、非定常圆柱绕流问题等经典算例。计算结果表明DG/FV混合方法达到了设计的精度阶,在较粗的网格上亦能得到高精度的计算结果;定性分析和数值结果表明相比同阶DG方法单步计算量减少约40%。     

电弧喷射推力器流动区域电磁场数值解法

为了有效地进行电弧喷射推力器流动区域全场(流场、电场、磁场和化学反应)耦合数值模拟并揭示其电磁场特征，建立了适当的电磁场模型，对电磁场控制方程的数值解法进行了详细研究。模型基于推力器稳态工作特征，控制方程由麦克斯韦方程组简化得到，采用有限控制容积积分方法离散椭圆型控制方程，采用9种不同的迭代方法求解离散方程。给出了不同迭代方法的收敛速度、数值稳定性和最终精度。研究表明，Gauss—Seidel逐线超松弛迭代法是推力器流动区域电磁场离散方程的一种快速有效的数值解法。     

改进格网型中的跨音速分析和设计计算

 <正> 近年来采用不同的主控方程计算跨音速绕流的方法有了不断的发展和改进,越来越多的算例表明了计算流体力学的迅速发展,其中解全速势方程的跨音速计算方法也有了很大进展,并已为国外航空工业界广泛地应用于设计和分析计算中。其中有限体积方法提高了处理复杂外形的能力,若采用多重网格技术则可改进计算效率。但是为了发展一种普遍适用和可靠的格网系统以耦合有限体积算法仍有许多工作要做     

空间回路网法在隐身结构电磁散射计算中的应用

随着计算机技术的发展,计算电磁学得到了极大地发展和运用。它可以通过数值计算得到描述宏观电磁场的Maxwell方程组的解,从而分析介质的电磁性能。本文介绍了空间回路网法（SNM）的基本原理和使用方法。并计算了8 GHz平面波条件下的正方形格栅结构的反射率,通过比较发现单元尺寸为半波长时,电磁波吸收性能强于1倍波长情况。     

同轴形微波等离子推力器数值计算

介绍了100W功率同轴形微波等离子推力器(MPT)的系统结构、谐振模式,采用耦合求解Maxwell方程、Saha方程和Navier-Stokes方程的方法,对100W同轴形MPT振腔内的电磁场、等离子体与流场间的耦合问题进行了数值计算并预估了原理实验样机的性能。计算结果表明,100W同轴形MPT结构系统的原理可行,性能较好,有较好的发展前景。      

CFD技术在目标电磁特性计算中的应用

电磁学中麦克斯韦方程组和流体力学中无粘流动欧拉方程一样,都是具有实特征值的双曲型偏微分方程组,相同的数学特性使得计算流体力学(CFD)技术能够在计算电磁学(CEM)中得以应用。采用MUSCL格式结合Steger-Warming分裂计算电磁通量,采用4阶Runge-Kutta法计算非定常时间推进,借鉴CFD方法计算电磁场边界条件;采用时域有限体积法(FVTD)数值模拟宽带脉冲波、完全导电体、含吸波材料涂层介质/金属混合体以及复杂外形目标的电磁散射。结果表明:基于CFD的FVTD方法能够高精度地计算目标的电磁特性。     

预处理方法在低速流场数值模拟中的应用

自20世纪70年代以来，随着高分辨率差分格式和高计算效率时间推进格式的建立和发展，可压缩流动数值模拟取得了很大进展。并广泛采用时间推进法。但是。对于低速不可压流动，采用时间推进法效果并不太好。目前对低速不可压流动的数值模拟主要有三种途径：（1）基于压力的算法，如著名的SIMPLE算法（压力偶合方程组的半隐式方法）；     

基于目标压力分布的旋翼先进气动外形反设计分析方法

基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程、运动嵌套网格、目标压力分布及余量修正方法,构建了一套直升机旋翼桨叶先进气动外形反设计方法。为避免由桨叶气动外形变化导致的网格畸变,发展了一套基于Poisson方程求解的旋翼桨叶结构化贴体正交网格的快速、自动化生成方法,为提高运动嵌套网格的生成质量和通用性,采用剖面间网格插值与桨尖翻折相结合的方法,同时建立了基于“Top Map”和“Inverse Map”相结合的洞边界划定和贡献单元搜寻的新方法。基于Navier-Stokes方程和双时间法建立了旋翼非定常流场模拟方法,通量求解采用Roe-MUSCL格式,并使用低速预处理法来克服前飞旋翼流场收敛中遇到的刚性问题。在计算流体力学（CFD）方法基础上,基于旋翼翼型压力系数余量联立各方位角处的反设计MGM（Modified Garabedia-McFadden）超定方程组,并依据激波分离、失速等约束设置了各方位角处的反设计权重系数,创建了基于MGM超定方程组最小二乘解的旋翼气动外形（翼型）设计方法。应用所建立的方法,分别针对多目标、多状态和前飞时的旋翼（翼型）气动外形进行反设计分析,验证了本文方法的有效性。最后,将该方法拓展应用到旋翼桨尖气动外形设计中,设计得到与UH-60A直升机旋翼气动特性相似的矩形桨叶外形。     

基于CFD的电磁散射数值模拟

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组.FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格单元边界通量,时间推进采用四阶龙格-库塔法.TM和TE波极化下几种二维完全导电体的表面诱导电流密度和雷达散射截面(RCS)计算验证表明,时域有限体积法是一种高精度有效的时域方法.     

轴向磁场永磁同步电机转子涡流损耗研究

为解决轴向磁场永磁同步电机温度过高导致电机运行性能降低的问题,针对电机转子进行了深入研究。先利用Maxwell三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,仿真电机磁场分布和气隙磁密波形,并计算平均涡流损耗;采用铜层屏蔽减小转子涡流损耗,并仿真出转子涡流损耗随铜层厚度变化情况。     

A mesh optimization method using machine learning technique and variational mesh adaptation

Computational mesh is an important ingredient that affects the accuracy and efficiency of CFD numerical simulation. In light of the introduced large amount of computational costs for many adaptive mesh methods, moving mesh methods keep the number of nodes and topology of a mesh unchanged and do not increase CFD computational expense. As the state-of-the-art moving mesh method, the variational mesh adaptation approach has been introduced to CFD calculation. However, quickly estimating the flow fi...     

面向稀薄流非线性本构预测的机器学习方法

稀薄非平衡流域内连续介质假设已经失效,主要围绕Boltzmann方程及模型方程对稀薄非平衡流开展理论与计算研究,统一气体动理论格式（UGKS）是其中一种代表性方法。在稀薄非平衡流数值模拟中,Navier-Stokes （N-S）方程连续介质假设已经失效,不能有效描述流场非平衡特征。UGKS方法虽然计算精度高,但速度空间离散导致计算效率低下,多维高速条件下数值计算难以开展。基于数据驱动的思想,在N-S方程与UGKS方法的研究基础上发展出了一种稀薄非平衡流非线性本构关系求解方法（DNCR）。该方法以N-S与UGKS求解器获得的流场数值模拟计算结果作为训练数据集,基于流场特征参数采用极端随机树算法生成机器学习模型,对预测流场中线性黏性应力项与热流项进行非线性修正,并耦合非线性本构关系求解宏观守恒方程得到目标状态稀薄非平衡流动数值解。针对DNCR方法中所采用的机器学习方法-极端随机树模型,通过二维顶盖驱动方腔流算例对高维非线性建模涉及的特征参数选取、参数调优开展了相关验证工作,选取若干典型状态对极端随机树模型的泛化性能开展研究,并评估了相关模型与方法的计算精度与计算效率。     

基于波形重构法的永磁电机电磁振动噪声计算研究

提出了基于波形重构法的径向气隙磁密和径向电磁力波解析计算方法,简化了永磁电机电磁振动和噪声(EVAN)的计算过程,解决了永磁电机径向电磁力波计算较为复杂的难题。首先介绍了波形重构法计算永磁电机EVAN的理论依据。然后,以1台永磁电机为例,详细介绍了运用波形重构法计算永磁电机电磁振动噪声的具体步骤。最后,对电机EVAN进行多物理场有限元仿真,将波形重构法计算结果与有限元仿真结果对比,在误差允许范围内二者的计算结果具有一致性,由此验证了波形重构法计算电机EVAN的准确性。     

基于KZK方程的声爆频域预测法

建立了一种快速预测声爆传播特性的频域方法,基于传统Khohklov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程,描述声爆沿激波波阵面法线方向的传播。为了验证模型正确性,以NASA TD N-161中试件C为对象,首先基于不同网格,利用计算流体力学(CFD)方法得到超音速流场;将CFD结果作傅立叶变换后代入模型方程,快速求解声爆传播特性。预测结果与NASA实验结果符合很好,研究表明：预测方法能够捕捉声爆的非线性传播,声衍射项使得声场在远场趋于轴对称分布,远距离传播后声能量集中于低频分量。     

基于Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov方程的声爆频域预测法

建立了一种快速预测声爆传播特性的频域方法,基于传统Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程,描述声爆沿激波波阵面法线方向的传播.为了验证模型正确性,以NASA TD N-161中试件C为对象,首先基于不同网格,利用计算流体动力学(CFD)方法得到超声速流场;将CFD结果作傅里叶变换后代入模型方程,快速求解声爆传播特性.预测结果与NASA实验结果符合很好,研究表明:预测方法能够捕捉声爆的非线性传播,声衍射项使得声场在远场趋于轴对称分布,远距离传播后声能量集中于低频分量.      

雷电感应对机上电子设备的危害和保护策略

感应雷击产生的电磁脉冲对飞机上电子设备的危害极大,通过对雷击产生原因的分析与探讨,深入研究感应雷击产生的电磁脉冲对机载电子设备的影响与危害,提出具有针对性的雷电防护的解决方案,消除雷电对机栽电子系统的影响,从而实现了雷电的综合防护。