暂冲式高速风洞流场控制系统建模与仿真

为满足中国空气动力研究与发展中心的2.4m跨声速风洞流场品质改进的需要,有必要建立一个高效的风洞流场控制模型作为控制器设计的验证平台。由于难以建立精确的空气动力学模型,且2.4m 跨声速风洞长期运行积累了大量的试验运行数据的实际,数据建模成为建模方法的首选。在硬件上,建立了基于反射内存技术的流场控制仿真系统,以获取现场采集的数据。建模方法采用数据建模方式,主要是利用系统辨识理论,将整个系统看成是一个“黑箱”,利用现场采集的数据来确定系统的参数和输入输出间的映射关系。采用以非线性自回归滑动平均模型(Non-linear Auto-Regressive Moving Average Model with Exogenous Inputs,NARMAX)作为风洞系统的数据模型,应用互信息法、曲线拟合法和伪最近邻点法分别确定了模型中采样间隔、时间滞后以及阶次3个参数。对比了最小二乘线性回归、BP 神经网络以及最小二乘支持向量机(LSSVM)3种方法对模型的拟合效果,确立了最小二乘支持向量机作为最终的拟合方法。为了提高仿真的精度,根据风洞运行的特点,将其整个过程划分为冲压、启动和调节3个阶段,分别建立了各个阶段的子模型。由于风洞系统是一个多输入多输出系统,并且延迟和阶次较大,采用了基于信息熵的数据压缩方法,实现了简化子模型规模的目的。最后,采用多模型融合的方法将各个阶段的子模型通过加权的方法来完成融合,从而构建起整个风洞系统的模型。稳定段总压和驻室静压分别通过所建模型得到,最后通过马赫数的计算公式得到试验段马赫数值。仿真结果表明:所建模型在运行包络线范围内的试验工况下,总压预测精度达到0.1%、马赫数预测精度基本达到0.001,达到了研究的目的。该项工作的开展较为系统地建立了暂冲式风洞的流场控制模型,建立的模型将为下一阶段基于现代控制理论的控制器设计奠定基础。     

耦合传导/辐射情况下的传热系数和表面热流辨识

耦合传导/辐射情况下的传热参数和表面热流辨识问题是一类特殊的传热逆问题,在工程上应用较广。本文首先建立了耦合传导/辐射的传热问题的数值方法,进行了算例验证。然后分别建立了同时辨识材料热物性参数和辐射吸收系数的算法、辨识非稳态表面热流密度的算法;分析了测点位置、测量误差、辐射吸收系数对辨识结果的影响。结果表明:同时辨识材料热物性参数和辐射吸收系数时,利用右端测点的温度辨识出热传导系数值的精度较高,利用中间测点温度辨识出的辐射吸收特性系数值精度较高。对于表面热流的辨识,测点越靠近加热面,辨识结果的精度越高;吸收系数对中间测点的辨识结果影响大于其他位置测点的辨识结果。     

关于CFD验证确认中的不确定度和真值估算

本文回顾了CFD验证、确认中不确定度的概念和研究方法,CFD的不确定度尚无表达式可以使用。本文也讨论了现在正在进行的实验验证,对各个参加验证的软件,如何作出定量的精度评价也缺乏原则。针对这些情况,我们在不改变不确定度定义的前提下,对不确定度作了新的解读,即不确定度可解读为计算值或实验值与真值准确到前n位,从而可给出不确定度的表达式和真值估算的原则。并根据大样本数据的统计理论,对真值认为接近数学期望,从而给出准确到n位真值的计算方法。这个方法,可用于计算结果的检验,例如当模型一定时,可用此法寻求计算方法的真值,对算法进行检验;如算法一定模型改变时,也可用于检验模型的可靠性。利用这种方法,在没有实验结果的情况下,也可评价各计算软件的质量。这个方法当然也可以运用处理实验数据。因为CFD中计算模型是人为建立的,虽然可以检验它的解是否正确,但与物理情况是否一致,并未得到回答。因此,开展实验验证是必需的。     

方形截面导弹摇滚特性数值研究

采用隐式耦合求解RANS方程与滚转运动方程的方法研究了方形截面导弹的摇滚运动特性。耦合求解过程采用隐式处理提高了求解精度,采用强迫摇滚得到了自由滚转静导数和动导数;采用与摇滚方程的耦合求解得到了方形截面导弹模型在不同迎角下的自由摇滚历程。两种研究结果均显示随着迎角的增加,方形截面导弹将由滚转稳定变为不稳定,并形成极限环振荡,即摇滚;随着迎角进一步增加将形成滚转发散。两种分析方法所取得的结果与试验结果吻合较好。     

基于Roe格式的低速预处理方法研究

应用Weiss-Smith预处理矩阵,发展了Roe格式的预处理方法。在引入局部正交坐标系的前提下,推导了预处理后的Roe格式的定常及非定常形式,分别给出了一组适用于守恒变量的特征矩阵。最后就典型状态给出了验证算例,计算结果表明,本文发展的预处理方法正确可靠,在低速计算中大大提高了计算效率和计算精度,是一种非常有前途和价值的方法。     

湍流模型对喷流计算精度的影响研究(英文)

采用三维RANS代码MBNS3D对包含了内流、外流及后体干扰的三种简化尾喷流,进行了数值模拟研究。通过壁面压力分布及喷流截面速度型与实验数据的对比,研究了SA和SST两种湍流模型及其修正(SACC,SADES,SSTCC)对喷流计算精度的影响。本文计算表明,SSTCC模拟效果最为精确;利用SA模型进行脱体涡模拟,在同样的网格下优势不明显。湍流模型可压缩修正改善了模拟喷流的膨胀趋势,但对附面层分离位置的预测,在本文的工作中,还不如原始模型。两类模型相比,SST模型的结果好于SA模型。     

不同压比状态下超声速射流冲击斜板的声场/流场特性

为研究超声速射流冲击斜板的噪声特性及声源特性,针对不同压比下,超声速射流流场及声场分别进行了高频PIV（particle image velocimetry)测量与远场噪声测量。PIV测量结果可观测到激波格栅形成过程以及冲击斜板对它的影响。声场测量结果可捕捉到自由射流与冲击射流中不同的纯音频率随压比增加的转变过程。通过一一对比各纯音模态与流场模态,可区分各纯音模态的声源特性。结果表明:当压比在2.0~3.2之间时,共出现五种纯音模态:A模态纯音频率为剪切层大尺度涡脱落频率,此时流场呈现同轴模态;d模态和e模态中纯音频率主要为冲击纯音频率,且e模态出现时流场转化为螺旋模态,这是一种不稳定模态;当压比大于等于2.53时,纯音模态稳定成单一模态B,B模态纯音频率为啸叫频率,其流场结构转化回同轴模态,啸叫频率对斜板的存在与否不敏感;啸叫频率随着压比的增加逐渐减小,其二次谐频在基频幅值较小的方向上会出现一个强声波辐射。      

单相机迎角测量中振动影响研究

从描述像空间坐标与物理空间坐标关系的共线方程出发,推导出单相机迎角测量中模型迎角关于相机外方位元素的计算公式。在单相机迎角测量中模型表面标记点展向坐标Y不变的假设下,研究了2m量级风洞中,相机位于5个不同位置时,3个角外方位元素(φ,ω,κ)和模型侧滑角β在-2°～2°之间振动对迎角测量结果的影响。模拟结果表明:φ和κ的振动对迎角测量结果影响较大,且该影响对相机位置和模型迎角的变化不敏感;在相机位于法向投影位置(相机光轴与Y轴平行)时,ω与β的振动对迎角测量结果影响非常小,可以忽略,但影响量随相机位置偏离法向投影位置迅速增加。     

跨超声速风洞大开角段设计技术研究

跨超声速风洞大开角段设计技术研究对于提高大开角段的安全性能与改进稳定段入口气流质量有着重大意义.由于影响大开角段性能的参数较多,完全通过试验方法进行设计的成本过高.本文通过数值模拟方法,结合适当的边界条件,对不同参数的大开角段进行了模拟,从数值模拟的结果可以看到,孔板开孔率和扩开角对大开角段性能有显著影响,通过比较得出了较为合理的参数匹配.这表明本文所用的方法用于大开角段气动设计是可行的,这为数值模拟方法应用于风洞部段气动设计创造了一定的条件.     

DLR-F6翼身组合体数值计算

使用自行研制的混合网格亚跨超声速流场解算器程序MFlow计算了AIAA第三届阻力会议提供的DLR-F6及其带整流装置FX2B情况下的阻力。重点分析了两者的网格收敛特性、阻力极曲线以及压力分布等,并与阻力会议的各个软件的计算结果进行比较。详细分析了DLR-F6翼身结合处后缘附近网格精度对分离气泡计算的影响。计算结果表明,MFlow程序的计算精度与国外软件相近,能够为阻力计算提供比较精确的结果。