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。     

基于特征的流场数据挖掘

将数据挖掘技术应用于流场分析,有可能挖掘出常规数值方法难以发现的复杂流动规律。流场数据与传统数据库数据不同,通常组织为不规则的空间离散点和单元。为建立流场数据挖掘的统一范式,提出了基于特征的流场数据挖掘流程,并设计了两类相应的数据模型组织方式:邻域时空盒模型和连接图模型。使用该框架,对特定Rayleigh-Benard对流现象的数值计算结果进行了关联规则分析。其中涡特征提取使用λ2准则,关联规则提取使用Apriori算法。实验挖掘到了一些非平凡的流场规则,证明了该方法的有效性。     

基于多重网格方法的跨声速颤振数值模拟研究

使用多重网格的方法对二维翼型和三维机翼的跨声速颤振进行了数值求解.流场控制方程为N-S方程,湍流模型采用SA模型网格.计算网格采用结构网格,空间离散采用中心格式,使用双时间法进行时间推进.流场与结构之间的数据通过径向基函数(RBF)插值方法进行交换.通过耦合求解流场控制方程和结构运动方程得到Isogai(case A)机翼模型和Agard445.6机翼的跨声速颤振边界.通过与使用单重网格时得到的结果相比较得出,多重网格方法能够节省计算时间,提高颤振分析计算效率.     

翼上螺旋桨构型耦合气动特性及翼型优化设计

针对半环形式翼上螺旋桨构型,研究了螺旋桨-机翼耦合流场特性,并以短距起降（STOL）状态最优升阻特性为目标对机翼翼型进行全局优化。首先,针对螺旋桨-气动面耦合构型,通过动量源法与真实桨叶模型CFD的计算对比,分析动量源法用于该构型设计分析的可行性。其次,为得到有利于桨-翼耦合特征的新翼型,建立了翼上螺旋桨构型自由型面变形（FFD）参数化模型,采用遗传算法对翼上螺旋桨构型机翼翼型进行全局寻优设计,分析了优化翼型参数及流场变化规律。最后,将优化翼型用于三维半环形机翼,分析其流场特性与二维计算结果的异同,验证二维翼型优化的有效性。结果表明：真实桨叶多重参考系（MRF）方法不能准确计算翼上螺旋桨构型下的流场结构,而动量源法计算结果与真实桨叶滑移网格非定常方法较为吻合;采用二维动量源CFD方法进行翼型的遗传算法优化是有效的,受半涵道的保护,二维优化翼型的优势在三维构型中得到了有效继承;翼上螺旋桨构型的翼型优化应当着重关注翼面曲率变化,在本文计算状态下,通过增加桨盘附近翼面曲率、保持附着流动来加强Coanda效应,有效实现了气动增升,优化后机翼升力提高了22.51%,显著减弱桨盘后高压区并产生二次吸力峰值,同时保持了机翼负阻力特性。     

基于POD和ARMA的阵风响应预测降阶模型研究

针对阵风响应流场高效精确分析需求,基于非定常CFD数值模拟发展了一种快速流场预测的降阶模型。采用本征正交分解(POD)方法对高斯阵风激励的CFD非定常流场快照进行特征分析、并基于能量占比准则截取主要基模态来降维,采用自回归滑动平均(ARMA)方法建立各主要基模态系数的线性预测模型。采用NACA0012和DLR-F12的分析算例进行了验证,与CFD非定常计算结果对比分析表明,模型具有可靠的计算精度,适合于精确高效快速分析阵风响应,为阵风减缓设计提供技术支撑。     

NNW-TopViz流场可视分析系统

流场可视化技术采用图形图像直观地表现CFD数值模拟的计算结果,使用户能够方便地对这些数据进行分析、比较和研究。然而,CFD数值模拟的流动复杂,其产生的流场数据规模巨大、数据类型复杂、特征提取困难,传统的串行可视化软件效率低、交互手段单一,难以满足数据分析的需求。国家数值风洞（NNW）工程研制了一套流场数据处理可视化软件系统（NNW-TopViz,简称TopViz）,具有对流场数据处理与特征提取、几何图形绘制等可视化与交互功能。根据可视分析效率需求,TopViz实现了线程并行,在多核计算环境下有效提高了可视化计算和交互效率;针对流场特征提取困难、常规方法效率低的问题,TopViz实现了基于卷积神经网络的流场旋涡特征提取方法,提升了特征提取准确率和效率;为提高软件交互效率并提供便捷的交互方式和体验,基于头戴式显示设备和体感控制器构建沉浸式虚拟显示与交互平台,TopViz实现了手势和眼球凝视2种交互方法,提供沉浸式环境下多视图、多角度流场探测方式。     

基于监督流形学习的航空发动机振动故障诊断方法

航空发动机故障诊断中一个有挑战性的难题就是如何处理具有高维数、非线性化特点的故障数据,传统模式识别方法很难发现这类数据集的真实结构,导致故障诊断准确性不高。针对这一问题,将一种新兴的非线性维数约简技术——流形学习引入航空发动机振动故障诊断,提出基于监督流形学习理论的航空发动机特征提取与识别方法。该方法首先采用最近兴起的监督局部线性嵌入流形学习算法对蕴含在高维振动故障数据中不同故障的流形特征进行学习,映射到低维嵌入空间以实现故障的特征提取,在降维后的流形特征空间中构造分类器实现故障识别。利用航空发动机转子故障数据对方法的有效性进行了验证,结果表明,该方法显著提高了故障诊断性能,克服了传统的模式识别方法PCA和LDA的不足,并且在训练样本数为每类100的条件下,该方法的平均故障诊断正确率比PCA和LDA分别高出2.93%和7.20%。     

位置不确定持续移动对象的离散表示

基于快照模型,提出对多个离散快照进行整体插值来生成不确定性二维移动点对象的离散模型用于时空数据库系统的实现。利用GM（1,1）模型,通过灰生成降低各个离散快照本身包含的不确定性,建立能够反映移动对象的整体运动趋势的离散实现模型。与线性插值模型的对比实验说明,信息受限情况下采用该模型计算位置不确定持续运动对象的时空运动情况能够保持稳定的低误筹率。     

自动编码器在流场降阶中的应用

自动编码器作为一种压缩算法,在数据降维和去噪等方面有着广泛实践,有条件作为一种降阶方法在流场识别与数据处理方面得到应用。文章中以圆柱绕流为例,首先对圆柱后速度场建立了编码模型,用来对原始数据进行降维和特征提取,之后将编码后的数据与流场特征量相关联,建立了由流场编码回归圆柱表面压力系数的神经网络,探索了降维后数据的应用。结果表明,自动编码得到的结果能够承载原始速度场的主要信息,解码后速度场与原速度场测试均方根误差小于0.02,压力回归测试均方根误差可小于0.1。说明自动编码器能够作为一种流场的特征提取和降阶方法,在未来得到更广泛的应用。     

螺旋桨滑流对短舱/机翼构型尾迹流场的影响

螺旋桨滑流对飞机机翼表面流动和尾迹流场有重要的影响,进而改变机翼和飞机的性能。本文通过风洞试验方法开展了螺旋桨滑流对尾迹流场的影响研究。试验模型为后掠角4°、带增升装置的螺旋桨/短舱/机翼模型,试验构型包括襟翼收回和襟翼打开,试验策略是在两种构型下分别同时模拟真实飞行状态的拉力系数和前进比。通过比较有/无螺旋桨时空间尾迹流场的速度场和流动偏角等,分析滑流在尾迹流场中的发展规律和影响范围,研究尾迹流场中滑流的加速效应、下洗和侧洗效应等。结果表明,在滑流作用下,机翼远后方流场参数在机翼展向和垂直方向上均呈现复杂的变化;同时,襟翼收回和襟翼打开构型的滑流效应有明显的区别,影响规律也有所不同。     

基于数值模拟的大流量减压器内部流场的特性研究

针对大流量气体减压器,建立了减压器工作过程的二维数学模型,基于成熟软件平台FLU—ENT进行数值仿真,研究了减压器内部稳态流场,发现减压器内存在两种典型的流动状态——超临界流动和亚临界流动,分析了不同流动状态下的流场特征,揭示了减压器内气体流动的内在规律。     

低雷诺数分布式螺旋桨滑流气动影响

以高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAVs）研究为背景,采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的多重参考系（MRF）方法,对3种螺旋桨-机翼构型的低雷诺数气动特性进行了高精度准定常数值模拟,在等拉力前提条件下,通过对比机翼气动力系数及表面流场结构特征分析了分布式螺旋桨（DEP）滑流对FX63-137机翼的气动影响。研究表明：螺旋桨滑流影响使得桨后总压及流速显著增大,这是机翼升力增大的主要原因,但同时机翼阻力特性急剧恶化,升阻比反而降低;螺旋桨滑流向机翼边界层内注入丰富湍动能从而抑制流动分离,扩大机翼表面湍流范围及附着流动区域;分布式螺旋桨滑流与低雷诺数机翼表面复杂流动相互作用显著,主要表现为滑流区域边界展向涡结构的产生。     

基于POD和代理模型的热气防冰性能预测方法

大型客机机翼、短舱多采用热气防冰作为主要防冰策略。为了缩短热气防冰系统优化设计周期，提出了基于本征正交分解和代理模型的防冰性能快速预测方法。采用本征正交分解对数值仿真积累的温度和溢流水快照进行特征分析，选取包含绝大部分样本特征的基模态线性拟合所有快照；基于支持向量机回归方法建立笛形管结构参数与线性拟合系数间的代理模型，实现对热气防冰蒙皮外表面温度分布和溢流水分布的快速预测。针对三维缝翼笛形管热气防冰系统开展的验证表明：该方法对防冰表面温度分布的预测效果较好，并能够较为准确地预测水滴撞击区域内的溢流水分布；建立的预测方法计算成本较数值计算方法大幅降低，对于热气防冰系统优化设计工作具有重要意义。     

基于自编码器和LSTM的模型降阶方法

自编码器是一种有效的数据降维方法,可以学习到数据中的隐含特征,并重构出原始输入数据.本文提出了一种基于多层自编码器和长短期记忆网络的模型降阶方法,以提升降阶模型的精度.文中以二维圆柱绕流为例,对该方法进行了分析与验证.首先用多层自编码器对原始数据进行降阶和特征提取,然后构建基于长短期记忆网络的预测模型,最后将自编码器和...     

Gurney襟翼对某型客机流动控制数值模拟

为改善某型客机的起降性能,通过在机翼尾缘加装Gurney襟翼,对流场进行了数值模拟。对该客机机翼的控制翼型安装不同高度的Gurney襟翼进行数值模拟,结果表明安装Gurney襟翼可以提高多段翼型的升力系数和阻力系数,但会增强尾迹流动的不稳定性。将不同高度的Gurney襟翼应用于该客机的简化模型,机翼的大部分区域符合二维翼型研究得出的流动控制规律;在机翼外侧区域,Gurney襟翼使机翼附近流场中的翼尖涡发生了一定的变化。数值模拟的结果还表明,Gunney襟翼可以提高客机的升力系数,而且不会给飞机流场带来明显的改变。     

齐莫曼翼与反齐莫曼翼空间流场测量对比分析

在低速风洞内,分别对齐莫曼翼和反齐莫曼翼的气动特性进行了测量,并应用PIV测试技术测量了两种微型飞行器机翼的空间流场,给出了空间流场的速度矢量图、涡量图和流线图。通过对比分析给出了两种机翼气动特性产生差别的主要流动机理。     

螺旋桨滑流与机翼气动干扰的非定常数值模拟

基于动态面搭接网格,求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟螺旋桨滑流与机翼的干扰流动.分别对3种构型,即:单独螺旋桨十短舱构型、螺旋桨十短舱十机翼构型以及短舱十机翼构型进行流场数值模拟,对比分析了机翼对螺旋桨滑流流动结构的干扰,在滑流作用下机翼气动特性的改变以及机翼对螺旋桨桨叶气动力的影响.模拟结果表明:...     

有侧壁干扰的机翼半模型风洞实验的N-S方程数值模拟

应用三维可压、雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟了机翼半模实验风洞侧壁干扰和三维机翼半模与安装侧壁结合部流场。计算采用中心有限体积多步Runge-Kutta时间步长格式,将Baldwin-Lomax两层代数紊流模型扩展应用于三维拐角区流动。用本文方法计算了3个算例 ,并与国外的有关实验数据进行比较,计算和实验吻合良好。     

重力异常特征提取方法研究

将主元分析和独立分量分析相结合应用于重力异常信号的特征提取.采用主元分析对测量数据进行去相关和降维预处理,再利用独立分量分析算法提取重力信号的特征系数.结合重力异常变化与特征系数的关系,提出了应用特征量化参数表征重力异常信号变化程度的方法.基于实测的重力异常信号进行了仿真试验,试验结果表明,本文提出的特征量化参数能有效的反映重力异常的幅值变化程度.     

基于CFD的机翼结冰过程分析

采用一种适用于分析机翼结冰过程的数值模拟方法,该方法在飞机结冰气象条件下采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）对机翼流场进行计算,获得流场中二维机翼翼型的水滴撞击特性,并遵循质量和能量守恒方程,计算出机翼表面的结冰量,预测出机翼的积冰形状。所得冰形与文献中的试验数据吻合良好,表明数值模拟方法有效。另外还分析了结冰对机翼升力、阻力和压力系数的影响,其结果可以指导飞机机翼防／除冰系统的设计研究