A Class of TVD Type Combined Numerical Scheme for MHD Equations With a Survey About Numerical Methods in Solar Wind Simulations

It has been believed that three-dimensional, numerical, magnetohydrodynamic (MHD) modelling must play a crucial role in a seamless forecasting system. This system refers to space weather originating on the sun; propagation of disturbances through the solar wind and interplanetary magnetic field (IMF), and thence, transmission into the magnetosphere, ionosphere, and thermosphere. This role comes as no surprise to numerical modelers that participate in the numerical modelling of atmospheric environments as well as the meteorological conditions at Earth. Space scientists have paid great attention to operational numerical space weather prediction models. To this purpose practical progress has been made in the past years. Here first is reviewed the progress of the numerical methods in solar wind modelling. Then, based on our discussion, a new numerical scheme of total variation diminishing (TVD) type for magnetohydrodynamic equations in spherical coordinates is proposed by taking into account convergence, stability and resolution. This new MHD model is established by solving the fluid equations of MHD system with a modified Lax-Friedrichs scheme and the magnetic induction equations with MacCormack II scheme for the purpose of developing a combined scheme of quick convergence as well as of TVD property. To verify the validation of the scheme, the propagation of one-dimensional MHD fast and slow shock problem is discussed with the numerical results conforming to the existing results obtained by the piece-wise parabolic method (PPM). Finally, some conclusions are made. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

SVM最优分类面相对位置的修正

通过放宽标准支持向量机(SVM,Support Vector Machines)中类别边界至分类面等间隔的约束,保持两类函数间隔之和不变的条件,在支持向量机思想框架下得出分类面依样本分布进行调整的新型支持向量机,其对偶形式与标准支持向量机完全相同,从而在理论上进一步完善了支持向量机.在此基础上,提出使类别的函数间隔正比于样本标准差的具体算法--方差修正法,达到最优分类面的相对位置依样本方差而调整之目的.从统计意义上来说,方差修正法在分类精度上有所提高,但计算量增加不多.     

反作用控制系统推力器失效的外部检测与诊断

通过推进系统外部可测的姿态信息,利用强跟踪滤波器和多模预报估计器,研究了一类非线性系统常值阶跃型故障和间歇性故障的检测与分离问题。对关机失效,利用强跟踪滤波器获得故障效应的估计,检测逻辑采用改进的贝叶斯分类方法,依据推力器失效效应的方向性进行故障单元的分离;对开机失效,采用多模预报,根据相应残差向量范数的比较进行故障的即时无阈值判别,同时完成了故障后系统状态的重构问题。以一类大型航天器的反作用姿态控制系统为例,对其中出现的推力器失效进行了故障识别仿真研究,表明所提方法是有效的。     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。     

带不同凹腔结构涡轮问燃烧室数值模拟

为了提高航空燃气涡轮发动机的推进效率和满足低排放的要求,提出了1种基于涡轮内补燃增推循环的超紧凑燃烧室──涡轮间燃烧室。建立了3种带不同轴向凹腔(AC)结构的TIB模型,比较了3种模型的流动性能和燃烧性能。计算结果表明:TIB的燃烧效率高达99.3%,AC结构的改变对燃烧效率影响较小,但对温度场分布影响较大。     

月球软着陆器动力学建模研究

建立准确、实用的月球着陆探测器动力学模型,是制导、导航和控制系统方案设计中的首要工作,文中月球软着陆探测器的推进剂贮箱采用横向对称分散布局的形式,并分析了布局方式对液体推进剂晃动的影响;将贮箱内液体考虑一阶弹簧质量模型,应用虚功率原理建立包含液体推进剂晃动的月球软着陆探测器从动力下降段至最终着陆段的动力学模型,并对动力学下降段进行了数值仿真,仿真结果可为月球软着陆探测器控制系统设计提供理论参考。     

基于非Favre过滤的大涡模拟

将直接过滤的可压缩Navier-Stokes(NS)方程组作为可压缩湍流大涡模拟方程组.方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似表达,得到可压缩张量扩散模型.与传统的采用质量加权过滤(Favre过滤)的可压缩大涡模拟方程组相比,由于这种方法没有密度信息的损失,所以能反映真实的密度脉动信息;方程所求量为流场物理量的过滤值,物理意义明确,使大涡模拟结果与直接数值模拟或实验结果更具有可比性.用这种大涡模拟方程组对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验、Baldwin-Lomax(BL)模型及Smagorinsky亚格子模型的结果进行了对比.      

固体推进剂贮存寿命非破坏性评估方法(Ⅲ)——预测残留寿命延寿法

从动力学理论分析入手,结合推进剂老化特征参数的研究结果,研究了用非破坏性手段预估固体推进剂残留寿命的方法。动力学理论分析表明,反应活化能是老化温度的函数,活化能对老化温度存在线性依赖关系,且活化能对老化温度的依赖关系和指前因子对老化温度的依赖关系是等效的。研究结果表明,影响推进剂寿命的应力问题也可以转化为动力学问题来处理,且应力对推进剂寿命的影响显著。利用新推导的4参数动力学公式,结合适宜的特征参数,建立了预估推进剂残留寿命的非破坏性方法,该方法可用于到期导弹的延寿。     

战术导弹中小型固体发动机技术的发展

通过对战术导弹中小型固体发动机具体发展需求的分析,明确了高能化、轻质化、可控化和低易损4个主要的中小型固体发动机发展方向。可以从提高推进剂黏合剂密度和燃烧室工作压强来实现高能化;采用轻质高性能金属壳体、纤维缠绕复合材料壳体以及提高绝热层性能以实现轻质化;可控化需要在高功率密度的驱动装置、高精度的控制算法等方面获得突破和支撑;低易损则可以从钝感推进剂、主动扩稳、防护材料等途径开展工作。通过对这4个技术方向上国内外研究现状和发展趋势进行梳理,明确提出未来研究需要突破推进剂和热防护原材料、新型装药工艺、可调燃气阀门、压力闭环控制和有效扩稳等关键技术,加速工程化进程,为我国战术导弹的跨越式发展提供支撑。