高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

高焓激波风洞喷管流场非平衡特性研究

高焓激波风洞是开展高超声速流动研究的重要地面模拟设备,但其产生的高焓气流在喷管中的膨胀过程是一种典型的热化学非平衡流动,试验段特征参数通过直接实验测量难以完全确定。本文通过求解耦合双温度模型的轴对称Navier-Stokes方程,研究了高焓激波风洞中典型状态下气流的热化学非平衡流动特性,分析了焓值对非平衡特性的影响规律。结果表明,喷管出口自由流均匀区域达到出口截面直径的75%以上,能够为实验提供足够的空间;喷管出口自由流处于热化学非平衡状态,在喷管喉道后约1/5喷管长度处气流即已处于冻结流状态,组分浓度和振动温度随气流流动基本不变;焓值在8.4MJ/kg~19.5MJ/kg之间变化时,非平衡程度随着焓值的增加而增强,但是低焓值时非平衡程度的增强更加剧烈。     

周向非均匀流动引起的转子动力学载荷分析

以轴流涡轮为分析对象,分析了流动沿周向分布不均匀的条件下涡轮转子受到的气动载荷。假设涡轮级内的流动沿周向呈1次谐波形式的余弦函数分布,考虑转子叶片叶顶间隙,利用双耦合激励盘模型描述叶片通道中的流动,采用谐波分析方法求得涡轮转子受到的气动载荷。分析了不同轴向位置处、不同非均匀流动参数的影响,讨论了转子偏心所产生的非均匀流动,给出了非稳态流动条件下的气动载荷。结果表明:1次谐波形式的非均匀流动会产生附加载荷作用于转子,从而影响转子的动力学性能;非稳态不均匀流动会影响附加载荷的大小,但不改变其在动坐标系中的方向。     

多尾鳍仿生航行器推进性能的三维数值研究

采用格子波尔兹曼方法及浸没边界法,发展了一套适用于自由游动的三维数值研究程序。进而以多尾鳍推进仿生航行器为原型,讨论了尾鳍数目、形状、材料刚度等构型参数及振幅、频率等尾鳍摆动参数对推进性能的影响。结果表明对称布置、反对称摆动的双尾鳍能够明显消除侧向力而避免航行器主体的横向晃动,且推力大于两个单独尾鳍的简单加和;在中等Reynolds数下,具有波动性质的柔性尾鳍不论是推进速度还是推进效率均优于刚性尾鳍;当尾鳍单纯摆动推进时,具有完整鳍面的半椭圆形尾鳍的推进性能优于后部有缺口的深叉形尾鳍。     

基于光强的快速响应PSP动态测量技术及其应用

随着空气动力学的迅猛发展,气动部件的结构及流场越发复杂,流场非定常性产生的影响不可避免,迫切需要对流动的非定常效应进行深入认识。自20世纪90年代起,有关光学压敏涂料(PSP)的动态测压技术成为了实验空气动力学与高分子化学等领域的热点研究方向。经过近20年的发展,快速响应PSP的动态测量技术已有了突破性进步。本文从基于光强的快速响应压敏涂料、动态测量设备、PSP动态测量方法及国外已开展的一些实验研究等方面出发,系统论述了近20年来基于光强的快速响应PSP动态测量技术的发展与应用。研究结果表明,快速响应PSP动态测量技术在非定常流场测量应用中有着巨大潜力,可成为深入认识航空领域复杂动态流场的有效技术手段。     

Adaptive Gaussian sum squared-root cubature Kalman filter with split-merge scheme for state estimation

The paper deals with state estimation problem of nonlinear non-Gaussian discrete dynamic systems for improvement of accuracy and consistency. An efficient new algorithm called the adaptive Gaussian-sum square-root cubature Kalman filter（AGSSCKF） with a split-merge scheme is proposed. It is developed based on the squared-root extension of newly introduced cubature Kalman filter（SCKF） and is built within a Gaussian-sum framework. Based on the condition that the probability density functions of process noises and initial state are denoted by a Gaussian sum using optimization method, a bank of SCKF are used as the sub-filters to estimate state of system with the corresponding weights respectively, which is adaptively updated. The new algorithm consists of an adaptive splitting and merging procedure according to a proposed split-decision model based on the nonlinearity degree of measurement. The results of two simulation scenarios（one-dimensional state estimation and bearings-only tracking） show that the proposed filter demonstrates comparable performance to the particle filter with significantly reduced computational cost.     

基于改进HOG特征的空间非合作目标检测

传统的非合作目标检测方法大都基于一定的匹配模板,这不仅需要预先指定先验信息,进而设计合适的检测模板,而且同一模板只能对具有相似形状的目标进行检测,不易直接用于检测形状未知的非合作目标。为降低检测过程中对目标形状等先验信息的要求,借鉴基于规范化梯度的物体区域估计方法,提出一种基于改进方向梯度直方图特征的目标检测方法,首先构建包含有自然图像和目标图像的训练数据集;然后提取标记区域的改进方向梯度直方图特征,以更好地保持局部特征的结构性,并根据级联支持向量机训练模型,从数据集中自动学习目标物体的判别特征;最后,将训练后的模型用于检测测试集图像中的目标。实验结果表明,算法在由4953幅和100幅图像构成的测试集中分别取得94.5%和94.2%的检测率,平均每幅图像的检测时间约为0.031 s,具有较低的时间开销,且对目标的旋转及光照变化具有一定的鲁棒性。     

基于改进人工势场法的服务机器人路径规划

人工势场法是服务机器人路径规划算法中一种简单有效的方法.针对传统人工势场法存在的目标不可达问题,通过在原来的斥力函数中加入一个调节因子的方法解决,同时采用遍历搜索法解决局部极小值问题,并引入安全距离以及改进调节因子以提高机器人路径规划过程中的安全性能.最后,利用Matlab软件将改进后的人工势场法应用于服务机器人路径规划并进行了仿真实验.仿真结果表明,基于改进人工势场法的服务机器人路径规划有效地解决了机器人不能到达目标点的问题.     

一种关于目标与安全管道相对位置估算方法

针对靶场试验安全控制中目标与安全管道位置估算的实际需求,结合靶场实时数据处理要求,提出了利用滑动窗口技术,动态载人理论弹道数据,并采用折半查找和KNN查询相结合的思想实现了目标与理论弹道最近邻点查询,完成了飞行目标与理论规划航迹间的位置等参数偏差查询。利用区间估计原理,给出了目标与安全管道相对位置估算方法,解决了传统试验中无法对目标与管道边界的接近程度进行量化的问题。     

方转圆对三维侧压进气道的流动特性影响

针对三维侧压进气道开展了方转圆研究,通过数值模拟对比了矩形出口、隔离段方转圆和内收缩段方转圆这3种方案进气道的基本性能和流场结构,分析了方转圆过程对进气道性能和流场结构的影响规律。结果表明:采用方转圆隔离段的三维侧压进气道总体性能要优于原型进气道,而在两个方转圆方案中,将内收缩段和隔离段视为一个整体进行方转圆的方案3,要优于从喉部截面开始方转圆的方案2;3种方案进气道隔离段二次流动的共同特点是在底板附近存在方向相反的两个流向涡,它们的强弱关系决定了底板低能流动的分布;始于侧板前缘根部的方转圆过程较始于喉部的方转圆过程对靠近侧板的流向涡的增强作用更大,这个涡提供的"下卷"作用具有改善角区低能流动的效果。