湍流数据同化技术及应用

近年来数据同化（DA）被引入湍流动力学研究中,通过融合实验测量和数值计算,提高了实验测量的精度和广度,改善了数值模拟的预测性能。实验观测、预测模型和同化算法是数据同化的三要素,湍流研究中的实验观测包括热线风速仪、粒子图像测速法（PIV）、压力传感器等局部测量数据,预测模型主要指流动控制方程及湍流封闭方程,而同化算法包括贝叶斯推断、集合卡尔曼滤波（EnKF）、伴随等。稳态数据同化一般结合雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型方程,从重新标定模型常数、修正涡黏模型方程形式误差、修正雷诺应力项等方面着手。非稳态的数据同化一般包括四维变分（4DVar）等时间连续的数据同化方式以及顺序数据同化。4DVar通过时间正向和逆向积分迭代,存储量和计算量都非常大。顺序数据同化不需要时间逆向积分,可以在若干时刻对实验观测进行间断地植入,正向求解整个系统。另外,随着人工智能的飞速发展,湍流数据同化研究也向智能化迈进。对于纯数据驱动的湍流机器学习,其缺乏物理本质的约束,而基于物理信息的机器学习在物理本质上与数据同化是一致的。     

快响应PSP技术用于高超声速圆柱绕流的非定常压力测量

压敏涂料(PSP)技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具。为了发展非定常流动压力测量和脉冲风洞中全局压力测量能力,航天空气动力技术研究院开发了快速响应压敏涂料技术,与中科院化学所共同合作开发的压敏涂料采用PtTFPP作为发光基团,稳定性较强,持续光照下发光强度衰减为1.5%/h。采用自主研制的静态标定设备在标定腔内测量不同温度和压力条件下20mm×20mm涂料样片的表面发光强度来确定涂料的压力响应特性和Stern-Volmer公式,并设计制作了2套快响应时间动态标定设备,测得涂料典型响应时间在0.2ms。在中国航天空气动力技术研究院FD-03高超声速风洞中对平板圆柱装置进行了Ma=5的 PSP 试验,利用高速相机采集图像数据后,经过批量数据处理,采集频率为250Hz,得到了间隔时间4ms 的连续压力场数据。结合纹影图像和油流图对得到的PSP结果进行了分析,利用同时采集的测压孔数据对PSP 结果进行了比较。试验结果表明,快响应PSP技术可以更详细地显示流场结构,并能同时得到很好的定量压力数据。     

亚声速飞机外挂物气动载荷和分离轨迹工程估算方法

本文简要介绍了一种计算亚声速飞机外挂物气动载荷和分离轨迹的工程方法。本方法分别采用源汇模型和涡格模型模拟母机的体积效应和法向力效应,采用迭代方法计及母机-外挂物之间的二阶干扰。在气动中心高速所研制的战术导弹气动特性工程计算方法的基础上,以迎角沿弹身轴线和翼片变化的流动条件代替该方法中的均匀来流条件,而建立了非均匀流场中外挂物气动载荷的计算方法。最后采用四阶的 Adams 数值积分方法求解六自由度运动方程而得到外挂物的分离轨迹。与国内外其它计算方法相比,本方法具有适用范围广、迅速、方便、实用等特点。本方法对一系列算例进行了计算,其结果与风洞实验数据具有令人满意的一致性。     

低雷诺数下50°后掠三角翼的旋涡流动

采用数值模拟和流动显示的方法研究了50°后掠角三角翼在低雷诺数下的旋涡流动,结果表明:低雷诺数下,非细长三角翼在5°攻角时就形成了稳定的前缘涡,较小攻角时前缘主涡就开始破裂,并观察到泡型和螺旋型两种旋涡破裂方式。另外,在一定的攻角范围内,前缘主涡的外侧又生成一对新的集中涡,构成双涡结构;随着攻角的增大,前缘涡涡核不断升高,主再附线向中心移动,二次分离区扩大。     

Local stability analysis of interface region of astrophysical viscous shear flows with a gradual velocity gradient

In this paper, we extend the stability analysis of cold sharp shear flows to warm astrophysical cases with, inevitable, gradual velocity gradient in the interface region in the presence of viscosity effect. Using linear perturbation theory as well as the local approximation method, the instability growth rate of the excited electromagnetic modes has been investigated for the relativistic and non-relativistic cases of solar wind interacting with interstellar plasma medium. Results show that astrophysical shear systems with a small velocity gradient in the transition region are more stable rather than larger ones. Moreover, dependent on the viscosity coefficient value, the viscosity effects could have a positive role on the instability growth rate of the system in some range of initial bulk velocity, while it plays a destructive role in other velocity ranges.     

A new two-scale model for large eddy simulation of wall-bounded flows

A new hybrid approach to model high Reynolds number wall-bounded turbulent flows is developed based on coupling a two-level simulation (TLS) approach (Kemenov and Menon, 2006 [1], 2007 [2] in the inner region with conventional large eddy simulation (LES) away from the wall. This new approach is significantly different from previous near-wall approaches for LES. In this hybrid TLS–LES approach, a very fine small-scale (SS) mesh is embedded inside the coarse LES mesh. The SS equations capture fine-scale temporal and spatial variations in all three Cartesian directions for all three velocity components near the wall. The TLS–LES equations are derived using a new scale separation operator that allows a smooth transition between the two regions, with the equations in the transition region obtained by blending the TLS large-scale and LES equations. New terms in the hybrid region are identified. The TLS–LES approach is used to study the near-wall features in canonical turbulent channel flows for a range of Reynolds number using relatively coarse large-scale (LS) grids. Results show that the TLS–LES approach is able to capture the effect of both the LS and SS features in the wall region consistently for the range of simulated Reynolds number.     

求解最小费用最大流问题的一种方法

介绍了最大流问题的多解，提出了通过调整圈来求解最小费用最大流的方法。     

用非线性k-ε-k_p两相湍流模型模拟旋流两相流动

建立了两相湍流的代数应力模型 ,并由此出发 ,导出非线性k ε kp 两相湍流模型 ,目的是合理地模拟各向异性较强的旋流两相流动 ,保持二阶矩模型的优点 ,同时比二阶矩模型简单 .文中得到了气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式。这些代数式和两相各自的湍动能k ,kp,以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立 ,就构成非线性k ε kp 模型 .将该模型用于模拟旋流两相流动 ,给出两相时均速度场及雷诺应力各分量 ,并且将模拟结果和实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照 .研究结果表明 ,该模型预报旋流两相流动的能力和二阶矩模型的能力相差不多 ,但计算量比二阶矩模型的小     

定常可压缩无粘流非线性方程解的完全边界积分表示式

 本文以ρV为因变量将可压缩等熵无粘流非线性方程的解表示成完全边界积分形式,从而将问题的计算维数降低一维。     

球锥俯仰阻尼导数的数值计算

本文从非定常Ｅｕｌｅｒ方程出发，应用谐振摄动法计算了球锥体超声速、高超声速下的俯仰阻尼导数和。Ｅｕｌｅｒ方程的求解利用ＳＣＭ方法和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ的两步算法。文中用任意攻角下不同俯仰轴的气动导数转换公式来简化计算，用较粗网格可以得到较精确的结果，程序编制相对简单。一次计算可以得到定常绕流解及一系列钝头率、不同俯仰轴下的多种动导数结果，在ＥＬＸＳＩ６４００机上约需２０～４０分钟。所得结果与试验结果符合程度令人满意。