Automatic differentiation based discrete adjoint method for aerodynamic design optimization on unstructured meshes

A systematic methodology for formulating, implementing, solving and verifying discrete adjoint of the compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations for aerodynamic design optimization on unstructured meshes is proposed. First, a general adjoint formulation is con-structed for the entire optimization problem, including parameterization, mesh deformation, flow solution and computation of the objective function, which is followed by detailed formulations of matrix-vector products arising in the adjoint model. According to this formulation, procedural components of implementing the required matrix-vector products are generated by means of auto-matic differentiation (AD) in a structured and modular manner. Furthermore, a duality-preserving iterative algorithm is employed to solve flow adjoint equations arising in the adjoint model, ensur-ing identical convergence rates for the tangent and the adjoint models. A three-step strategy is adopted to verify the adjoint computation. The proposed method has several remarkable features:the use of AD techniques avoids tedious and error-prone manual derivation and programming;duality is strictly preserved so that consistent and highly accurate discrete sensitivities can be obtained; and comparable efficiency to hand-coded implementation can be achieved. Upon the cur-rent discrete adjoint method, a gradient-based optimization framework has been developed and applied to a drag reduction problem.     

使用GAO-YONG湍流方程组计算翼型分离流

采用SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组, 对不同来流迎角下的NACA0012翼型绕流结构进行了数值模拟, 给出了翼型绕流分离流结构随迎角的变化特征和翼型在分离绕流中的气动力参数.与实验数据以及大涡模拟结果的比较表明, GAO-YONG不可压湍流方程组能够对翼型绕流的分离点、分离涡形态、表面压力分布、升阻特性做出较好的预测, 能够模拟翼型大攻角分离流动, 计算结果优于FLU-ENT软件中的k-ε、k-ω、k-ωsst模型的计算结果.      

内埋式弹舱舱门气动载荷计算分析研究

采用中心有限体积法进行空间离散和四步Runge-Kutta显式推进方法进行时间推进数值求解了非定常欧拉方程;采用Delaunay方法生成内埋式弹舱舱盖打开时的非结构网格.数值模拟了内埋式轰炸机弹舱单开舱门在分别打开8°和45°时的复杂流场.通过对上述复杂流场的分析,发现作用于舱门的气动载荷具有使其趋向于关闭的特性,且有随打开角度的增大而减小的趋势.     

有限推力下时间最优轨道转移

研究了一种有限推力作用下的时间最优轨道转移计算方法。以非奇异根素形式的高斯行星摄动方程为基础,由庞德里亚金极小值原理导出正则方程组,通过将最优控制问题转化为协状态初值为待优化参数的参数优化问题,并通过非线性规划求解得到的参数优化问题,从而避开求解两点边值问题的困难。文章最后给出2个算例,分别计算了零倾角零偏心率最优轨道转移和大倾角改变最优轨道转移。计算过程及结果表明本文所用方法对协状态初值猜测敏感性小,收敛迅速;零倾角零偏心率情况下无奇异;所得控制轨线光滑。     

NVNA谐波相位检验件设计及定标

本文介绍了一种用于检验非线性网络分析仪谐波相位指标的检验件设计方法,并搭建了基于实时示波器的测量系统对谐波相位进行定标。通过高速实时示波器对检验件的输出信号进行采样,利用傅立叶变换提取谐波相位信息。为了得到高准确度的测量结果,采用去缠绕、最小二乘等算法对相位结果进行优化处理。实验结果表明,该方法可以作为NVNA谐波相位指标的验证手段对NVNA的谐波相位进行验证。     

固体火箭发动机燃烧室三维流动数值计算

采用ｋε双方程湍流模型,以ＳＩＭＰＬＥ 计算程式求解翼柱型装药固体火箭发动机燃烧室内三维非定常不可压流ＮＳ 方程．在建立翼柱型装药简化模型的基础上采用边界标志法来表达燃面推移,采用从二维到三维的初场给定方法结合多重网格法求出了多个时间步的非稳态流场结构．计算结果表明燃烧室内旋涡运动呈现一定的空间与时间分布,周向加质导致燃气通道横断面上轴向速度分布的极不均衡．     

用非结构直角网格和欧拉方程计算飞机绕流

 采用八叉树结构 ,生成复杂外形绕流计算的非结构直角网格。物面附近用投影方法 ,使网格贴体。并将Jameson的有限体积法推广用于这种网格的欧拉方程计算。对歼击机模型的绕流计算表明 ,网格生成的机时花费很少 ,总体质量好 ,因而欧拉方程解算的收敛质量也好。     

论定常不可压粘流的积分方程解法

本文对定常不可压粘性绕流积分解法中的涡量迭代过程、涡量边界条件的提法以及压强系数的计算等方面都作了改进,使数值解更易于稳定收敛并提高精度。为了验证本文的方法,对低雷诺数下的圆柱绕流进行了计算,结果表明计算效率是高的,迭代过程是稳定的。将本文方法推广到三维流动没有原则上的困难。     

求解Euler方程的无网格与有限体积混合算法研究

研究了无网格方法与有限体积法相结合的、求解Euler方程的混合算法.与单一的无网格方法相比较,由于在大部分计算区域采用了有限体积法,使得发展的算法在运算效率上能与有限体积法相当;同时在物体附近嵌入了无网格区,使得在处理几何外形上更具灵活性.有关算法涉及的无网格与网格区域搭接处理,通过在交界面处引入辅助卫星点和网格单元构成边界信息,实现了区域间的流动信息传递.Euler方程的空间导数分别在两区域用有限体积法和无网格法离散近似,时间方向都采用四步显式Runge-Kutta格式推进求解,数值模拟了喷管内流和绕翼型外流,并分别与整体有限体积法和整体无网格方法进行了比较.算例展示出,提出的混合算法能有效捕捉激波间断,且两区域等值线过渡光滑,算法效率如预期与有限体积法相当,表明该方法是可行的.     

全流量补燃循环发动机系统的响应特性

以全流量补燃循环氢氧发动机系统为研究对象,对其的动态响应特性进行了研究。建立了描述全流量补燃循环发动机动态特性的非线性数学模型,将免疫策略算法同龙格-库塔法结合起来,提出了求解含有隐式项的常微分方程组的变步长龙格-库塔方法,并应用该方法对全流量补燃循环发动机系统的动态响应特性进行了仿真计算。计算结果表明,当发动机在某一个稳定工况工作时,发动机入口推进剂压强的变化对发动机性能参数的影响不大,发动机的参数都能比较平稳的过渡到一个新的稳定工况;当发动机在短时间内进行小范围的推力调节时,发动机参数的过渡过程的曲线也比较平稳,但是当在短时间内进行大范围推力调节时,参数的过渡过程的曲线振动比较剧烈,因此应当在进行大范围推力调节时,应当对调节时间进行适当延长,或者分级进行推力调节。