CFD不确定度量化方法研究综述

随着计算流体力学(CFD)算法和软件的不断发展和完善,CFD数值模拟已经在涉及流体力学的各个领域发挥着日益重要的作用.不确定性因素在CFD计算过程中普遍存在,并且会对数值模拟结果造成影响.发展CFD不确定度量化方法,既能满足工程实践中对CFD可信度评估的需求,同时也能够支撑飞行器的精细化设计.本文旨在总结不确定度量化方法及其在CFD领域中的发展与应用.首先介绍CFD计算中的不确定性来源,以及不确定性的表现形式—随机不确定性和认知不确定性.然后按照不确定性的表现形式介绍对应的不确定度量化方法.最后介绍不确定度量化方法在CFD计算中的发展与应用,并且给出进一步开展不确定度量化工作的建议.     

面向航空工程的CFD不确定度量化方法研究

真实复杂环境下,气动数值模拟（CFD）结果的可信度问题一直是工程上关注的焦点问题之一。不确定度量化是评估真实环境下,数值模拟结果的可信任程度的重要工具。本文对面向航空工程的CFD不确定度量化方法进行综合论述,聚焦解决工程实用化问题。在方法层面,针对解决不确定度量化中的“维数灾难”问题,发展以Kriging-MC为代表的改进蒙特卡罗（MC）类方法,以及以非介入式多项式混沌（NIPC）为代表的谱方法;在工具层面,提出一种通用性非常强的不确定度量化评估基础平台框架UQ-CFD,提供交互式环境,实现批量不确定性参数生成、试验设计、批量作业组织及自动加载、自动结果后处理等实现不确定度量化过程所需工具的有机集成。基于UQ-CFD平台,可实现涉及操作不确定性、几何不确定性、物理模型参数（建模）不确定性等典型不确定性的评估。采用经典Rosenbrock函数对所建立工具进行了基础方法的对比验证,在此基础上,以平面斜激波、高超声速圆柱问题为例开展了几何不确定性和来流参数不确定性影响的定量评估,表明本文提出的方法是有效的。     

考虑数值离散误差的湍流模型选择引入的不确定度量化

在流体力学数值模拟过程中存在着多种来源的不确定因素,科学、定量地描述这些因素对模拟结果的影响对模型确认、工业产品设计优化和性能评估等过程十分重要。数值离散、模型选择和模型预测偏差是模拟过程中3种重要的不确定性来源,为将这3种不确定性因素对模拟目标量的影响统一考虑,发展了考虑数值离散误差的贝叶斯模型平均方法。首先,通过对数值离散解和网格尺度进行拟合完成数值离散误差估计,得到每个备选模型真实解的置信区间。然后,通过嵌套方法和条件优化算法,结合贝叶斯模型平均方法构建目标量的概率盒,定义目标变量累积分布函数的上、下限,以此分析其置信区间。最后,针对NACA0012低速绕流和CHN-T1跨声速绕流问题,给出了同时考虑上述3种不确定性因素之后升、阻力系数的置信区间分析示例。     

基于数值模拟的工程设计中参数不确定性表征方法研究综述

现代工程设计大量使用数值模拟技术，然而数值模拟中仿真模型、几何参数、工作载荷、环境条件等均存在不确定性，这些不确定性直接影响数值模拟结果的可信度，尤其在研发对性能和可靠性要求严苛的装备时，忽略这些不确定性将产生潜在风险，因此在基于数值模拟的工程设计中开展不确定性量化意义重大。不确定性表征既是准确开展不确定性量化和优化设计工作的前提，也是工程精细化设计的重要支撑。本文阐述了基于数值模拟的工程设计中所面临的不确定性因素，根据不确定性因素的表现形式和可用信息，按照概率表征和非概率表征两大类总结了目前主流的参数不确定性表征方法，介绍了各种表征方法的基本思想、主要原理、适用范围以及方法在工程实践中的发展和应用，并简要阐述基于不确定性表征结果进行不确定性传播的基本思路，最后对不确定性表征的研究方向进行了展望。     

基于贝叶斯因子和二阶概率方法的圣地亚热传导模型确认挑战问题

针对美国圣地亚国家实验室为促进模型确认方法的发展所提出的热传导挑战问题,根据现代模型确认思想总结了该挑战问题解答中应包含的核心内容。在确认度量环节采用贝叶斯因子考察了实验数据是否支持所给模型,在此基础上通过二阶概率方法得到了模型预测的分布,以此计算出模型预测结论的置信度。该过程中考虑了模型参数的随机不确定性和认知不确定性,最后通过灵敏度分析辨识了模型参数的不确定性对模型预测的影响。研究表明该挑战问题中的实验数据支持所给模型,模型预测受导热系数的不确定性影响最大,模型预测材料在调控条件下的失效概率不满足调控要求,该结论的置信度为99.97%。     

HiLiftPW-1～HiLiftPW-3数值模拟技术综述

针对典型运输机高升力构型,源于DPW(Drag Prediction Workshop)系列会议,美国航空航天学会(AIAA)组织的高升力预测研讨会(High Lift Prediction Workshop,HiLiftPW)已经连续举办了3届(HiLiftPW-1~HiLiftPW-3)。HiLiftPW系列会议的主要目的是评估现代CFD技术模拟典型运输机高升力构型的能力,促进高升力构型的复杂流动机理研究,指明高升力构型数值模拟技术的研究方向。本文概述了HiLiftPW-1~HiLiftPW-3会议的基本情况及主要结论;介绍了历次HiLiftPW会议所采用的高升力构型及风洞试验情况;并从计算网格生成、计算方法与湍流模型、计算结果与试验结果的对比等方面总结了CFD验证与确认工作的进展;最后给出了进一步开展CFD验证与确认工作的思考与建议。     

假设检验与CFD不确定度量化分析

针对CFD验证与确认中不确定度量化研究,提出了假设检验量化技术,采用了Grubs数据处理技术并具有好的鲁棒性,应用了假设检验原理分析了计算结果,可对CFD计算具指导作用,数值例子也说明了这一点。     

国家数值风洞(NNW)工程中的CFD基础科学问题研究进展

计算流体力学（CFD）基础理论方面的持续创新对数值模拟软件的功能拓展及推广应用具有十分重要的意义,国家数值风洞（NNW）工程在CFD相关的若干关键基础科学问题上开展了研究。简要综述了国内各参研团队近3年的研究进展,NNW工程在转捩与湍流模型及计算方法、多相多介质计算模型与方法、多物理场耦合计算模型与方法、高精度数值计算方法等方面形成了一系列阶段性的研究成果,建立了多种原创算法与模型。这些算法与模型中具有较高成熟度的将被集成至NNW工程的相关软件,并面向全国发布。     

非参数化概率盒下随机与认知不确定性的分离式灵敏度分析

灵敏度分析（SA）能辨识影响复杂系统响应的关键参数，为系统的稳健设计提供决策依据。非参数化概率盒作为一种典型的不精确概率模型，可以同时量化随机和认知2类不确定性，且在实际工程中应用广泛。由于非参数化概率盒耦合了随机和认知不确定性，非参数化概率盒下灵敏度分析方法能阐明输入概率盒的随机和认知不确定性对系统响应不确定性的影响程度。从随机与认知不确定性分离式角度出发，提出了一种非参数化概率盒下分离式灵敏度分析（SSA）方法。构建了格点法和期望值法分离非参数化概率盒的随机和认知不确定性，采用双层嵌套不确定性传播算法建立输出响应的概率盒，提出了最大方差和面积度量指标分别衡量系统输入的随机、认知不确定性对输出的随机、认知不确定性的影响。以NACA0012翼型升阻比预测为例，分析了来流参数和湍流模型参数的随机、认知不确定性对升阻比的随机、认知不确定性的影响。     

DPW Ⅳ～DPW Ⅵ数值模拟技术综述

DPW(Drag Prediction Workshop)系列会议是CFD验证和确认领域最具代表性的国际会议之一。CRM(Common Research Model)代表了现代运输机的典型巡航构型,该模型是AIAA DPWⅣ~Ⅵ会议选择的基准研究模型。针对CRM,国际上开展了大量的风洞试验与数值模拟工作,这些工作反映了当前CFD验证与确认研究的最新进展。本文介绍了CRM及开展的风洞试验,概述了DPWⅣ~Ⅵ会议的情况,分别从计算网格生成、计算方法与湍流模型、计算结果与试验结果的对比等方面总结了CFD验证与确认工作的进展,以及CRM相关优化设计工作,并给出了进一步开展CFD验证与确认工作的思考与建议。     

CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展

计算流体力学(CFD)技术在航空工程领域发挥着重要作用。总结了CFD技术在航空工程领域中的应用,系统阐述了气动设计、气动弹性、气动噪声、数字化飞行等多学科耦合计算领域对CFD技术的需求,结合实际工程应用分析了CFD技术面临的主要挑战。总结了近年来CFD技术在流动分离、边界层转捩、高精度方法和运动网格技术等领域取得的研究成果以及在气动特性评估、流动机理分析、气动设计、气动弹性、气动噪声等工程领域中的应用。进一步展望了CFD数值模拟未来的几个关键技术以及应用前景。     

CFD在我国城市风热环境中的研究与应用

城市风热环境研究对于城市可持续发展、居民健康和气候变化适应性都具有重要意义。随着高性能计算能力的不断提升和数值模拟方法的改进,计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）已经广泛应用于城市风热环境预测。本文概括性地总结了城市风热环境实验研究和CFD研究的进展,包括典型的实验研究方法、CFD数值模型、模型验证等,并重点从建筑形态布局、植被、水体以及冷性材料4个方面对CFD应用研究成果进行归纳总结,最后从多季节、多尺度、精细化模拟以及多因素耦合等角度对未来城市风热环境CFD模拟研究进行了展望,并提出了参考建议。     

第一届航空CFD可信度研讨会总结

总结了第一届航空可信度研讨会(AeCW-1)的数值模拟结果。AeCW-1会议由中国空气动力学会计算空气动力学专委会主办,并在第一届空气动力学大会上做了专题研讨。本次研讨会吸引了14家单位参与,共提交了26组计算结果。活动的主要目的是针对典型运输机巡航构型,评估国内CFD当前技术状态,探索CFD进一步发展的研究方向,促进CFD验证和确认工作的开展,为大型客机的研制提供技术支撑。AeCW-1选择的研究模型为中国空气动力研究与发展中心(CARDC)设计的单通道运输机模型(CHN-T1),CHN-T1包括机身/机翼/平尾/立尾等部件,分别在CRADC的2.4m×2.4m风洞(FL-26)、欧洲的2.4m×2.0m风洞中(European Transonic Wind Tunnel,ETW)开展了风洞试验。AeCW-1组委会提供了系列结构网格和非结构网格,研究工况主要包括网格收敛性研究、抖振特性研究、雷诺数影响研究,风洞模型支撑装置和静气动弹性变形对数值模拟结果的影响是重要的研究内容。本文对提交组委会的数值模拟结果进行统计分析,并与FL-26及部分ETW的风洞试验结果进行了对比,对未来的研究工作提出了意见和建议。     

基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法

与采用线性模型的WAsP软件相比,CFD方法具有可以逼真模拟复杂地形三维风场大气流动的优势,因此成为了复杂地形风场风资源评估的发展方向。为了把CFD软件包FINE/TURBO和带有壁面函数的k-ε湍流模型用于复杂地形地貌风电场的风资源评估和微观选址中去,本文以南澳岛风场作为研究对象,在中性大气条件假设下,对风场区域以30°风向为间隔进行数值模拟。研究采用不同入口边界条件对数值计算结果的影响。比对模拟结果发现,风场中的风加速与湍流强度基本上不随来流条件发生变化。基于这一规律,结合全年测风数据评估风场的风资源分布状况,建立了一套风资源评估的数值模拟及后处理方法,为工程实际提供了有力参考。     

数值模拟方法对NASA CRM模型阻力预测的影响

在复杂工程外形的数值模拟中，网格类型、规模和分布、湍流模型、数值格式等都会不同程度影响模拟结果。如何评估这些模拟方法对模拟结果的影响，并识别对模拟结果影响较显著的因素，对于CFD的发展方向有积极的借鉴指导意义。为了综合研究不同因素对商用运输机外形阻力预测的影响，以AIAA第六届阻力预测会议外形NASA CRM为研究对象，同时考虑了网格、湍流模型、无黏通量格式和体心梯度求解方法等因素对阻力预测的影响。分析中采用枚举法和正交试验设计两种方法，并使用了基于聚类分析的定性敏感性分析方法和基于Mckay主影响分析的定量方法，识别出对阻力预测影响较大的因素，这为数值模拟方法的发展指明了方向。     

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

基于MBD-CFD的软管-锥套空中加油仿真框架

随着无人加油等新兴应用场景的出现，软管-锥套式空中加油技术近年来重新得到了航空工业界的重点关注。使用计算机数值模拟手段对空中加油系统进行流体-动力学仿真，已成为空中加油系统设计、研发和飞行测试评估中的必备手段。一方面，基于工程简化模型的软管-锥套仿真方法的数值模拟精度难以满足实际需求，另一方面，完全基于非定常计算流体力学（CFD）的耦合仿真方法计算量较大，在有限计算资源条件下难以满足快速设计迭代与多参数优化的计算效率需求。通过将多个求解层次的流固耦合分析工具有机结合，建立了基于多体动力学（MBD）和CFD的加油机软管-锥套装置的耦合仿真框架和方法。对典型加油机-软管-锥套组合体的全尺寸构型和缩比构型进行了数值模拟，通过多个算例验证了本方法的可信性。通过将非定常CFD方法与基于气动建模的尾迹流场动态插值方法结合，可将后者的计算精度提高至与非定常CFD方法相当，同时将计算量减小2个数量级以上，从而实现了计算精度和效率的兼顾。     

基于机器学习的智能控制数值虚拟飞行方法

提出并实现了一种基于机器学习的PID智能控制策略下的数值虚拟飞行算法，结合Basic Finner导弹标准模型算例，对所提出算法进行了验证和评估分析，表明本文算法可行，并具有良好的应用前景。首先，搭建了一种基于重叠动网格技术的CFD/RBD耦合数值虚拟飞行仿真模型。针对Basic Finner导弹的标准工况进行了无控自由飞行状态的数值飞行模拟，并结合实验结果对所构建的数值虚拟飞行仿真算法进行了验证和评估，表明所采用的数值模拟算法可用于数值虚拟飞行环境下的智能控制参数设计与仿真评估；其次，结合数值虚拟飞行过程对飞行器气动、姿态和位移等参数的实时控制需求，提出了一种基于BP神经网络算法的PID参数在线学习的智能控制器，并针对Basic Finner导弹的俯仰通道，分别对传统PID控制策略和智能PID控制策略下的导弹自由释放后的俯仰角快速稳定控制过程、阶跃式和正弦式俯仰角输入下的导弹跟踪控制过程进行了数值虚拟飞行仿真模拟。研究表明，基于BP神经网络的PID智能控制器能够根据所获得的实时飞行参数，实现控制参数的在线学习和自我优化、调整，相比于传统PID控制器，对于不同输入工况表现出良好的适应性...     

周向平均方法在某风扇/增压级分析中的应用简

 通过对三维（3D）Navier-Stokes方程进行周向平均,得到了通流模型的控制方程,对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实现风扇/增压级在设计初期的快速性能评估,考察了周向平均方法在风扇/增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型（CAM）对某高通流风扇/增压级进行了性能分析,从对比结果来看,周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数,最大误差不超过2.0%。在风扇转子中,由于周向平均通流模型能捕获通道激波,其物理本质与三维平均结果有所区别,因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。     

周向平均方法在某风扇/增压级分析中的应用

通过对三维（3D）Navier-Stokes方程进行周向平均,得到了通流模型的控制方程,对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实现风扇/增压级在设计初期的快速性能评估,考察了周向平均方法在风扇/增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型（CAM）对某高通流风扇/增压级进行了性能分析,从对比结果来看,周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数,最大误差不超过2.0%。在风扇转子中,由于周向平均通流模型能捕获通道激波,其物理本质与三维平均结果有所区别,因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。