智能赋能流体力学展望

人工智能（AI）是21世纪的前沿科技,流体力学如何在智能化时代焕发青春是值得本领域研究者思考的话题。从智能赋能流体力学角度,就其研究内涵、研究内容、近期研究及难点进行了总结,并对智能流体力学未来的发展进行了展望。研究指出,流体力学计算或试验中所产生的数据是天生的大数据,如何通过深度神经网络、随机森林、强化学习等机器学习方法来利用这些数据,缓解甚至替代理论和方法层面对人脑的依赖,挖掘新的知识,成为一种新的研究范式;相关研究将涵盖流动控制方程的机器学习、湍流模型的机器学习、物理量纲分析与标度的智能化以及数值模拟方法的智能化;借助人工智能技术,发展流动信息特征提取与多源数据融合的智能化是流体力学发展的迫切需求;研究内容应至少涵盖海量数据挖掘方法以及多源气动数据的智能融合;发展数据驱动的流体力学多学科、多物理场耦合建模与控制是工程应用的迫切需求,相关工作涉及多场耦合建模、气动外形智能优化设计以及流动智能自适应控制等方面。     

苏通大桥实测强风湍流积分尺度的对比研究

湍流积分尺度是体现风特性的重要指标之一,而现场实测是获得工程结构准确可靠的风特性的唯一有效手段.本文利用苏通大桥结构健康监测系统(SHMS)采集的风特性数据库,选取该桥址区2008年夏季的“凤凰”、“海鸥”台风及冬季北风为样本进行强风特性分析.其中采用4种常用计算方法重点研究了桥址区强风的积分尺度,并对比了不同方法的计算结果以验证其可靠性.最后分析了湍流积分尺度随高度和平均风速等的变化规律.结果表明:湍流积分尺度与风速之间无确定关系,塔顶湍流积分尺度较跨中大.分析结果充实了苏通大桥风特性数据库,可为湍流积分尺度的分析计算提供参考,并为苏通大桥的强风环境和抗风评估提供了实测依据.     

基于低矮建筑物实测数据的改进湍流物理模型

要准确模拟低矮建筑物壁面上分离涡位置的平均风压比较困难,这些区域在绕钝体流动中也是很关键的部位.本文在Spalart-Allamaras湍流物理模型的基础上,根据钝体绕流流场特性,结合低矮建筑物上的实测数据,调试并选取合适的参数,提高涡粘预测的准确性,提出了改进的S-A湍流物理模型.通过对6m立方体和Silsoe低矮建筑模型进行稳态数值模拟,由改进S-A湍流模型得到的屋面、背风和侧风面上平均风压结果,比目前公认的模拟钝体绕流效果较好的SST湍流模型有较大改善,比风洞实验更接近实测结果.由此可以看出,本文改进湍流模型的方法,将是一条提高预测建筑物表面平均风压精度很有效的途径.     

基于相干结构的大涡模拟壁面模型

首先对湍流边界层近壁区相干结构群进行研究,根据共振三波理论使用沿流向周期性发展的多个三维波构造其初始结构,通过直接数值模拟得到该相干结构群的演化特性.在此基础上,提出了基于近壁区相干结构流动参数的新型大涡模拟壁面模型.确定了此壁面模型与主流大涡模拟衔接的原理方案.计算结果表明:该壁面模型在减少计算量的同时,能够为主流区大涡模拟提供重要的壁面大尺度结构信息,使计算取得准确的结果,实现了壁面模型的基本功能.      

运用SIMPLE方法计算大曲率弯道中的湍流流动

在三维任意贴体非正交曲线坐标系下应用同位网格技术,发展了适于求解复杂流动的压力修正算法,采用速度的协变物理分量为动量方程中速度的求解变量,湍流模型选用标准的κ-ε模型.计算表明,方法具有良好的收敛性、准确性和稳定性,计算值与试验数值吻合良好,而且能预示通道内复杂的流动现象.     

火烧炉内气相燃烧过程的三维数值模拟

本文对某工业火烧炉内的三维湍流气相燃烧场特性进行了数值模拟,湍流模型采用可实现k-ε双方程模型,湍流燃烧采用有限速率/涡耗散模型,辐射换热采用P1模型,数值方法采用SIMPLE算法,实现了炉内火烧试验的数值再现,特别考察了入口压力、燃料/空气比、多烧嘴不同组合工况等因素对炉内温度场和流场的影响,并对该火烧炉的运行提出了一些合理化建议,为其实际运行提供了有益的参考。     

基于小波分析的缩减湍流数据采集量的新方法

由于湍流实验的数据采集量的大小通常没有准则,实验中为了降低偶然事件的影响通常都使用较大的数据量,从而在数据的采集、存储和后处理过程中都造成资源和时间的浪费.笔者根据小波分析所具有的良好的时频双局域性的特点,在文献[4,5]的基础上,配合统计学方法,在理论上提出了以小波方法缩减湍流实验数据采集量和某些流场计算方法计算量的方法.以使用小波方法分析湍流边界层的湍动能方法为例,证明了这种方法的合理性和可行性.     

液体煤油超声速燃烧数值分析的湍流模型

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态燃烧室内的喷雾燃烧进行了数值模拟。采用k-ε三种形式、k-ω两种形式和雷诺应力湍流模型,计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0.551时的情况。通过将数值模拟结果与实验数据进行对比,证明这些湍流模型都可用于煤油超声速燃烧的数值计算。并且,k-εRNG模型和k-ωSST模型的计算结果与实验数据最为接近,可以认为这两个模型在模拟煤油超声速燃烧流场中是非常有效的;而雷诺应力模型效果较差。     

DENTON程序湍流模型改进研究

改进了DENTON程序所使用的混合长度模型,使之能够适应壁面发展以及有适度分离流动的情况,并减少对经验的依赖.通过对NASARotor67转子和Rotor37转子的对比计算分析,验证了改进的混合长度模型能够进一步提高计算的可靠性,并且计算时间增加很少,保持了DENTON程序计算速度快的优势.      

跨声速机翼抖振初始迎角N-S方程定常计算分析

 应用代数法和椭圆型方程优化相结合的方法生成翼身组合体块结构网格。采用有限体积空间离散法和五步Runge-Kutta显式时间推进法求解N-S方程。基于雷诺平均N-S（RANS）方程,选用Spalart-Allmaras（SA）一方程模型模拟紊流。根据N-S方程定常计算结果,采用升力曲线、俯仰力矩曲线、后缘压力发散、跨声速激波位置以及机翼表面极限流线等几种判据,对跨声速机翼的抖振初始迎角进行了合理的预测分析。