基于卷积神经网络的深度学习流场特征识别及应用进展

深度学习架构的出色性能使得机器学习在流体力学中的应用得到新的发展,可以应对流体力学中诸多问题和需求。卷积神经网络（CNN）强大的非线性映射能力以及分层提取信息特征的功能,使其成为当下流场特征研究不容忽视的工具。围绕这一研究前沿与热点问题,概述和归纳了这一研究领域的进展与成果。首先,对深度学习在流体力学中的发展以及卷积神经网络进行了简单的回顾。然后,从卷积神经网络能够识别特征出发,先后介绍了基于卷积的深度学习特征识别在流场预测、流动外形优化、流场可视化精度提升和生成对抗等应用方面的研究进展。最后,对深度学习在流场识别领域的应用进行了展望,为后续的研究提供参考。     

空空导弹固体发动机内弹道对导弹后体流场非定常影响的数值模拟

空空导弹高空工作过程中,外部的超声速来流与其固体火箭发动机的尾部喷流相互作用,形成复杂的非定常尾部干扰流场,影响导弹后体的工作环境。为了探寻发动机内弹道对导弹后体结构的非定常影响,采用双组分气体的非定常CFD仿真模型对某空空导弹发动机工作期间的喷管内流场和导弹外流场进行一体化数值模拟,研究了由多个自由剪切层、激波、膨胀波等组成复杂干扰流场的结构,以及在发动机内弹道和外流速度的非定场效应影响下其变化过程,在此基础上定量分析了由此引起的尾流的温度和燃气的扩散,以及在不同内弹道阶段发动机对导弹后体结构产生的影响。计算结果表明,非定常干扰流场在导弹后体附近产生不断变化的低速涡流区域,加速了温度和燃气的扩散,致使导弹尾端面区域受到高温气体冲刷,进而降低导弹后体结构的安全性。因此,空空导弹的后体设计有必要考虑并减少发动机内弹道与导弹外流的非定场影响对导弹后体安全性所造成的潜在威胁。     

燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的视线测量技术,有能力实现流场温度、速度、组分浓度等参数的快速测量。作为一种有效的诊断工具,TDLAS传感器已经在燃烧和推进系统的研究和开发中获得广泛应用,为改善系统的性能发挥着越来越重要的作用。新应用机会的出现,对传感器提出新挑战的同时也促进了相关技术的进步。概括介绍了TDLAS技术的发展水平、在燃烧场诊断中的应用及未来的潜力,为相关研究人员提供参考。     

底排装置尾部化学非平衡流的数值模拟

为了研究二次燃烧对底排增压减阻的影响,采用8组分12步反应的H2-CO燃烧模型作为二次燃烧模型,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称多组分N-S方程,对底排装置尾部化学非平衡流进行数值模拟。底排装置的底压随排气参数变化的模拟结果和现有实验数据比较吻合。数值模拟结果表明:底排装置底部压力随着排气参数I的增加先迅速增大,当I达到0.007时,底压增长速度逐渐变慢,在I=0.01~0.015的范围内底压基本不变,此时底排增压减阻的效果最好。当排气温度Tj≤1025K时,底排装置尾部没有发生二次燃烧,底排减阻率相对较小。当1025KTj≤1100K时,底排装置尾部发生二次燃烧,且随着Tj的增加,燃烧逐渐由不充分变为充分,二次燃烧使底排装置尾部的高温区域大幅增加,且底排减阻率由13.7%速增到57.5%。当Tj1100K时,二次燃烧充分。底排装置的排气温度应大于1100K。     

高燃压中型运载火箭发射地面低高度排导技术

综合高燃压中型运载火箭高密度发射燃气流地面排导需求及烧蚀风险分析,提出基于地面双面导流装置与高位挡流墙结合的地面低高度排导技术方案。利用火箭发射燃气动力学研究总结的燃气流膨胀特性以及导流型面设计方法,解决了地面低高度排导技术涉及的地面导流装置导流型面气动设计以及尺度控制两个关键问题。地面低高度排导技术方案设计与燃气流场瞬态仿真多轮叠代,实现了燃气流排导烧蚀范围合理控制,避免了燃气流低高度排导烧蚀反溅影响箭体。地面低高度排导技术采用专利支撑的喷水冷却防护方案实现高燃压中型运载火箭发射燃气流强烧蚀环境发射系统、发射设施综合防护。基于喷流缩比试验相似性控制方法研制了1∶10比例喷流缩比试验系统,通过喷流缩比试验验证确认高燃压中型运载火箭发射燃气流能够实现地面低高度安全、顺畅排导,同时与发射台、导流装置结构融合的阵列喷水方案能够行之有效解决高燃压中型运载火箭地面低高度排导强烧蚀难题。     

开槽尾流板对跨声速涡轮平面叶栅流场影响的实验

采用数值计算和实验相结合的方式研究了开槽尾流板对跨声速涡轮平面叶栅流场周期性的影响。通过数值计算研究了不同开孔率（10%、15%、30%、50%）和偏转角度（70°、71°、72°）下尾流板对叶片表面及叶栅流道出口压力分布的影响,并通过实验验证了尾流板对流道出口流场周期性的改善作用。结果表明:无尾流板时叶片表面压力分布明显偏离周期性计算结果,且流道出口压力分布的周期性误差较大;尾流板偏转角度和开孔率会影响叶片表面及叶栅流道出口的压力分布,适当调节尾流板参数能改善流场周期性;安装开孔率为50%,偏转角度为70°的尾流板时各流道出口的压力分布一致性最好且最接近周期性计算结果,计算和实验结果的周期性误差较无尾流板时分别降低47.6%和28.1%。      

抽吸腔反压对抽吸槽内流场结构影响试验研究

为了研究抽吸腔反压对抽吸槽内流场结构的影响规律,在国防科学技术大学吸气式超声速风洞中开展了马赫数2的试验研究,采用纳米粒子平面激光散射技术(NPLS)、纹影两种非接触测量与显示技术对不同抽吸腔反压时抽吸槽内局部流场结构进行了显示和诊断。同时试验还测量了抽吸质量流量,对抽吸性能进行了分析。NPLS结果和纹影结果清晰地展示了抽吸槽附近的局部流场结构,包括分离区、剪切层、膨胀波、障碍激波、激波串等典型结构。研究表明,当压比达到0.25左右时,抽吸槽内开始出现激波串。随着抽吸腔反压的增加,气流膨胀角度逐渐变小,障碍激波下半段长度逐渐变短,且向下游移动,同时音速流量系数随抽吸腔反压的增加逐渐减小。当压比达到0.6左右时,激波串消失。当压比在0.18附近时,随着抽吸槽深宽比的增加,抽吸槽内分离区由开口状态变为闭口状态,同时气流膨胀角度逐渐增加,障碍激波逐渐向上游移动,音速流量系数逐渐增加。当抽吸槽深宽比大于1时,低反压情况下抽吸槽内分离区为闭口状态,高反压情况下抽吸槽内分离区为开口状态。     

湍流流场双向全息干涉测量

多方向全息干涉法是获得三维流场重构数据的较好方法,采用离轴式像面全息干涉技术从正交两方向对同一流场进行显示,得到了模型流场清晰的序列全息干涉图,可用于三维重构数据提取的需要.同时,采用CFI仿真结果进行对比验证.通过对该研究的总结和分析,为今后多向(≥6方向)全息干涉技术测量湍流流场奠定了基础,同时也提出了下一步工作的相关想法.     

超临界翼型低雷诺数流动分析及优化设计

以高空长航时无人机(UAV)翼型研究为背景,对超临界RAE2822翼型在高空高亚声速下的低雷诺数气动特性进行了数值模拟及优化设计研究。采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,对典型低雷诺数下RAE2822翼型绕流进行数值模拟,验证了SST k-ω湍流模型的可靠性和准确性;基于不同高度不同雷诺数下RAE2822翼型的计算气动力对比分析,研究了高度增大所带来的低雷诺数效应;通过对低雷诺数下超临界翼型表面流场结构及流动机理的详细分析,提出了一种弱化激波的翼型设计思想,并通过优化算例验证了该思想的可行性。     

高性能流场并行粒子追踪数据管理系统

随着当下计算能力和存储性能的提升,流场数据产出的规模越来越庞大,针对流场数据的可视化应用对于硬件及软件算法的要求也随之提高。基于国家数值风洞（NNW）工程支持,主导设计并开发了高性能流场并行粒子追踪数据管理系统,帮助用户探索和分析大规模流场数据。该系统针对流场数据提供多种高效的数据管理方法,在超算集群上针对并行粒子追踪过程进行了数据预取优化与负载均衡优化。对于粒子追踪过程中产生的流线（或迹线）及进程工作记录数据,该系统支持用户在本地平台上进行性能诊断和分析。使用不同流场数据集开展的两个应用实例验证了该系统的有效性。