面向航空工程的CFD不确定度量化方法研究

真实复杂环境下,气动数值模拟（CFD）结果的可信度问题一直是工程上关注的焦点问题之一。不确定度量化是评估真实环境下,数值模拟结果的可信任程度的重要工具。本文对面向航空工程的CFD不确定度量化方法进行综合论述,聚焦解决工程实用化问题。在方法层面,针对解决不确定度量化中的“维数灾难”问题,发展以Kriging-MC为代表的改进蒙特卡罗（MC）类方法,以及以非介入式多项式混沌（NIPC）为代表的谱方法;在工具层面,提出一种通用性非常强的不确定度量化评估基础平台框架UQ-CFD,提供交互式环境,实现批量不确定性参数生成、试验设计、批量作业组织及自动加载、自动结果后处理等实现不确定度量化过程所需工具的有机集成。基于UQ-CFD平台,可实现涉及操作不确定性、几何不确定性、物理模型参数（建模）不确定性等典型不确定性的评估。采用经典Rosenbrock函数对所建立工具进行了基础方法的对比验证,在此基础上,以平面斜激波、高超声速圆柱问题为例开展了几何不确定性和来流参数不确定性影响的定量评估,表明本文提出的方法是有效的。     

简化三方程转捩模型在高超声速流动中的应用

在雷诺平均方法的基础上,通过耦合k_(-ω)SST湍流模型和间歇因子转捩模型,引入湍流模型和转捩模型的可压缩修正方法,对高超声速平板、双楔、尖锥三类模型边界层转捩流动开展了数值模拟研究。与实验结果的对比分析表明基于压力梯度表征参数T_w=R_(TΩ/ω)的简化三方程转捩模型,能够准确捕捉高超声速平板边界层流动的转捩起始位置、转捩区域长度以及湍流区壁面热流。而对于双楔、尖锥模型,改进前的简化三方程转捩模型由于受到流动可压缩效应的影响,边界层转捩后湍流区的壁面热流模拟预测结果明显高于实验值。在添加模型可压缩修正方法后,转捩区域长度和湍流区壁面热流模拟结果得到有效改善,与实验值吻合较好。可见,简化三方程转捩模型在添加可压缩修正方法后具备准确模拟预测高超声速边界层流动转捩的潜力。     

带收敛出口的单元贫油直喷燃烧室冷态和热态流动特性研究

为了研究贫油直喷燃烧室的流动特性,提出了带有收敛出口的单元贫油直喷燃烧室模型,采用数值模拟方法研究了旋流角度分别为35°,38°,40°和45°共四种模型在冷态和热态条件下的流动特性,获得了旋流角度和燃烧释热对旋流器收敛出口截面速度分布、旋流数和下游中心回流区形态的影响规律。结果表明:在冷态条件下,随着叶片角度的增加,旋流器收敛出口截面的速度分布从"内高外低"型转变为"外高内低"型,并且"外高内低"型的速度分布更有利于形成回流区;除35°旋流角以外,其他模型都能形成驻定的中心回流区。在热态条件下,燃烧释热对弱旋流流动的影响十分明显,35°旋流角收敛出口速度分布由"内高外低"型转变为"外高内低"型,在其下游形成了驻定的中心回流区,说明燃烧释热可以促进旋流流动向涡破碎方向发展;燃烧释热对冷态下已形成回流区的流动影响不大,但气体的膨胀加速会加快燃烧室内部逆压梯度的消失,导致热态回流区尺寸和长度略小于冷态回流区。     

基于BP神经网络和遗传算法对再循环风扇性能参数的确定

环控系统再循环风扇主要采用轴流风机。全压效率是衡量风机性能的重要指标,轮毂比和叶片数是影响风机全压效率的重要参数。因此,为了使全压效率最大,需要确定最佳的轮毂比和叶片数。利用ANSYS软件中的CFX模块,对不同轮毂比和叶片数下的风机模型进行计算,得到这些风机模型的性能曲线和全压效率。再通过神经网络和遗传算法,对这些风机模型的全压效率进行寻优计算,最终确定风机最佳的轮毂比和叶片数。     

工艺故障模式分析方法研究

通过工艺故障模式分析对万向组件在装配过程中可能导致故障的工序进行数据收集、整理及分析,找出导致故障的主要原因;对传统的装配工艺做出改进,提高装配精度及可靠性;提出可能采取的预防改进措施,提高产品的合格率及使用可靠性。     

非零初末角速度约束下的卫星实时姿态机动规划

针对存在初末角速度非零约束的卫星姿态机动任务,提出了一种基于旋转分解的实时解析规划算法。该方法通过将卫星三维旋转分解为多个绕固定轴的一维欧拉旋转,使非线性规划问题转换为多个一维空间上的线性规划问题,再将各个线性规划的结果通过四元数运算融合为最终的姿态机动规划结果。与过去针对此类问题经常采用的非线性规划方法相比,该规划算法可以通过解析的形式给出,因此不需要通过多次数值迭代得到可行解,运算量少,可以实时进行计算,适合实际在轨应用。     

一种LSTM模型预测BC值的空间碎片无控再入预报方法

提出一种利用长短周期记忆(LSTM)神经网络模型动态预测无控再入过程中弹道系数(BC)值实现空间碎片高精度再入时刻预报。通过利用空间碎片两行根数(TLE)、简化通用摄动模型(SGP4)与公开的物体陨落时间作为实测数据样本,利用迭代修正BC值方法构建预测模型的训练集,由此构造用于预测BC值的LSTM模型预测BC,再采用高精度轨道外推动力学模型配合预测BC值预报再入时刻,结果表明基于LSTM模型预测BC的空间碎片再入时刻预报方法是可行的,在95%的置信度内,90天以上的再入时刻预报精度小于10%,30天预报精度小于8%。     

基于星体角速度估计的陀螺故障诊断

为在星载惯性基准单元(IMU)正常工作的陀螺的冗余度不满足奇偶方程法条件时诊断陀螺故障，通过卫星稳态运行期间高精度星敏感器输出的姿态四元数信息，根据卫星姿态运动学和动力学方程，采用非线性广义卡尔曼滤波(EKF)得到星体角速度的估计值。在此基础上，通过设计的故障诊断器对陀螺故障进行定位。仿真结果表明，该法可检测陀螺的突变和缓变故障。     

基于视线角四元数序列的视线角速率样条滤波

依据坐标系转换四元数与坐标系旋转角速度之间的关系，提出了基于视线角四元数序列的视线角速率自适应样条滤波算法。该算法利用样条函数表示视线角四元数，结合四元数与角度之间的对应关系，建立了系统状态方程；在只给出视线角序列信息的情况下，对观测误差进行了补偿，实现了自适应样条滤波算法，获得了有效的视线角速率信息。