旋转不变的数据驱动稀薄流非线性本构计算方法

DNCR方法基于Navier-Stokes方程和UGKS方法的数值模拟结果作为流场样本训练数据,借助机器学习构建热流/应力与流场特征参数的高维复杂非线性回归关系模型,最终通过耦合数据驱动的非线性本构关系求解宏观量守恒方程得到待预测稀薄非平衡流数值解。但现有DNCR方法的特征参数(速度、压力、密度等)和标记值(热流、应力张量等)不具备旋转不变特征,所得训练模型无法适用于坐标系旋转或平移后的计算网格。针对这一缺陷,本文构建全新且具有旋转不变性的特征参数与标记值,并结合典型算例预测结果与特征参数权重反馈优化所有训练集特征参数;同时瞄准回归模型预示范围与泛化性能提升,针对极端随机树开展选参与调参研究,发展了一种基于旋转不变量的改进DNCR方法。针对不同来流条件、不同几何外形条件下的二维高超声速圆柱绕流与顶盖方腔驱动流,评估了改进DNCR方法对比原始方法的计算精度提升效果。计算结果表明：使用旋转不变量能够显著提升训练模型对坐标系旋转、外形变化的适应能力,使DNCR方法具备更好的泛化性能。     

一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略及其应用

研究了一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略。在数据结构方面,设计了局部化的数据组织方式,节约了内存与计算时间。发展了一种跟踪模拟分子迁移的算法,该算法仅需少量的逻辑运算与代数运算,不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且可以准确判别分子与物面是否相互作用,搜索过程中的附带信息给出了分子与物面碰撞的精确时间与位置,避免了重新计算。引入碰撞距离的思想,既减少存储又保证正确的模拟结果。在程序编制过程中,我们充分展现了Fortran90高级语言的主要特性,引入动态数组、指针、链表以及派生类型数据,编制了计算程序。最后对过渡流域高超声绕流进行了数值试验。     

模拟空间环境下小发动机羽流压力场

为研究空间发动机的羽流特性及其对卫星的污染,在模拟空间环境下,进行了电加热CO2气体模拟发动机羽流流场的试验测量和理论计算。试验台主要包括空间环境模拟系统,电热气体模拟发动机,稳压气源,测量系统及其温控。理论计算采用计算流体动力学(CFD)和直接模拟Monte Carlo(DSMC)相结合的方法,完成了羽流场的数值模拟。测试结果表明,试验系统满足在10-3Pa量级的真空压力和93±5 K的背景温度下稳定运行和精确测量。不同坐标位置处试验数据和数值结果的比较表明,试验测量和理论计算吻合较好。     

热交换对喷气发动机过渡过程影响分析

给出一种用于估算气流与零部件间热交换对过渡过程影响的方法。利用该方法计算了某双轴涡扇发动机在加速过程中各主要零部件与气流间的热交换随加速时间的变化，各部件热交换对推力响应的影响；计算和分析了该发动机在相同供油规律下“冷”和“热”两种加速过程，估算了典型部件换热面积和质量对加速性的影响。计算结果的分析表明：高温部件与气流的热交换对喷气发动机的过渡过程有不容忽视的影响；相同供油规律下由于热交换使“冷”和“热”加速过程的差异十分显著，“冷”加速过程允许采用补偿供油改善加速性；零部件换热面积和质量的估算精度对加速性有一定的影响，但不显著。     

Rayleigh问题的Monte Carlo直接模拟

利用流场直接模拟的Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法数值模拟了Ｒａｙｌｅｉｇｈ问题的流场，获得了相应的结果，结果与解析解及经验解吻合较好，ＤＳＭＣ方法避免了求解复杂的控制方程，在流动比较复杂的情形下，有很大的优越性，是研究稀薄气体流动的一种好方法。     

火箭探空活动的领域和价值

火箭探空是空间事业的一个组成部分,它的活动舞台主要为稀薄大气层所占据的空间,活动成果丰富了人类对自然界的认识、促进了空间科学的发展。用于火箭探空的运载上具——探空火箭业已实现了固体化、轻型化、系列化等方面的变革,并正在开发新的领域。中国在这方面也取得了可喜的成果。     

Maxwell气固相互作用模型对稀薄高超声速凹腔绕流流动特征和热环境的影响

针对高空航天飞机等再入飞行器表面缺陷或防热瓦缝隙导致的局部压力过高和气动加热问题,采用直接模拟Monte Carlo （DSMC）方法研究了飞行高度为80 km的稀薄流区高超声速凹腔绕流问题,考虑气固相互作用（GSI）模型对凹腔流场特征和表面压力、热流的影响。结果表明：稀薄流条件（80 km）下,GSI为完全漫反射时,在凹腔前缘分离的剪切层再次附着在后缘,在凹腔内部形成一个充满腔体的单涡结构;随着GSI从完全漫反射向镜面反射变化,气体与凹腔表面之间的切向动量交换减弱,即黏性剪切作用减弱,外部气流被卷入凹腔的程度减弱,导致涡结构不断减小直至消失,凹腔底部逐渐出现所谓的"死水区"。与完全漫反射相比,镜面反射或近镜面反射会导致凹腔上游侧面的峰值压力和峰值热流以及下游侧面的峰值压力剧烈增大,在飞行器设计中,应特别留意上述表面的压力载荷和热载荷。     

面向稀薄流非线性本构预测的机器学习方法

稀薄非平衡流域内连续介质假设已经失效,主要围绕Boltzmann方程及模型方程对稀薄非平衡流开展理论与计算研究,统一气体动理论格式（UGKS）是其中一种代表性方法。在稀薄非平衡流数值模拟中,Navier-Stokes （N-S）方程连续介质假设已经失效,不能有效描述流场非平衡特征。UGKS方法虽然计算精度高,但速度空间离散导致计算效率低下,多维高速条件下数值计算难以开展。基于数据驱动的思想,在N-S方程与UGKS方法的研究基础上发展出了一种稀薄非平衡流非线性本构关系求解方法（DNCR）。该方法以N-S与UGKS求解器获得的流场数值模拟计算结果作为训练数据集,基于流场特征参数采用极端随机树算法生成机器学习模型,对预测流场中线性黏性应力项与热流项进行非线性修正,并耦合非线性本构关系求解宏观守恒方程得到目标状态稀薄非平衡流动数值解。针对DNCR方法中所采用的机器学习方法-极端随机树模型,通过二维顶盖驱动方腔流算例对高维非线性建模涉及的特征参数选取、参数调优开展了相关验证工作,选取若干典型状态对极端随机树模型的泛化性能开展研究,并评估了相关模型与方法的计算精度与计算效率。     

大型航天器再入陨落时太阳翼气动力/热模拟分析

采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内能激发和化学反应来准确模拟气动加热,并基于MPI环境的并行算法解决计算量庞大的难题。通过计算分析太阳翼水平和垂直放置时在不同高度、不同攻角下的复杂流动特征,表明在90km以上高空,太阳翼垂直放置时,飞行器头部脱体激波与帆板脱体激波会产生更强烈、更复杂的激波/激波和激波/边界层的干扰,在气动力和气动热的双重作用下要比水平放置时的太阳翼更快地被撕裂并脱离目标航天器。