CFD数学模型的线性化方法及其应用

计算流体力学(CFD)方法不仅仅起到数值模拟的作用,它本身是一个复杂的非线性系统。在流动稳定性分析、气动弹性分析、优化设计以及流动控制等领域,从系统的角度出发,对CFD数学模型线性化后,可以对模型的系统矩阵进行定量分析获得更多的系统特性。但是CFD数学模型往往非常复杂且阶数很高,因此其线性化系统矩阵的获得比较困难。鉴于此,采用人工编程和自动微分相结合,构造有限体积法并行CFD模型的线性化系统矩阵。其中自动微分只被用来得到每个界面通量的局部雅可比矩阵,而采用人工编程方法来实现并行环境下的稀疏雅可比矩阵的组装。线性化系统的并行求解采用了块雅可比预处理的广义最小残量法,每个并行进程内部则采用零填充不完全LU分解预处理。为了验证这种线性化方法,上述方法被用于:① NACA 0012翼型的非定常绕流线性系统构造与求解;② NACA 0012翼型稳态流动的伴随方程构造与求解;③ AGARD wing 445.6机翼颤振问题降阶建模。上述三个算例的结果与CFD模拟的吻合一致。     

高温燃气进入舵机舱过程仿真与流动机理分析

采用计算流体力学(CFD)方法研究了火箭发动机工作拖尾段高温发动机燃气进入舵机舱的物理现象。结合导弹实际飞行弹道参数变化特点和超声速流场扰动不向前传递的空气动力学理论,提出了简化而不失真的非定常流场仿真方案,显著缩短了仿真周期;复现了某型导弹实际飞行时舵机舱先被"抽气"再进高温燃气的动态过程,并分析了高温发动机燃气进入舵机舱的流动机理,即在发动机工作段,导弹底端面压强低于舵机舱内压强,舵机舱被"抽气",在拖尾段随着燃烧室总压降低,喷口附近的马赫盘向导弹底端面移动,使导弹底端面压强增大且高于舵机舱内压强,高温燃气进入舵机舱烧毁电路致使导弹折断;明确了某型导弹折断故障产生的诱因,提出了改进措施和检测方法,并得到了大量飞行靶试的验证,解决了舵机舱热防护结构可靠性问题。     

旋翼VPM/CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用

为了提高旋翼计算流体力学（CFD）流场计算效率及克服其在尾迹捕捉上的不足,将旋翼黏性涡粒子方法（VPM）与CFD分析相结合,建立了一个新的旋翼VPM/CFD耦合气动分析模型。在该模型中,采用VPM分析以实现对旋翼尾迹中黏性涡的高效捕捉而不引入数值耗散,而采用CFD分析用于精确地模拟旋翼桨叶近体区域内复杂的流动现象,同时也为VPM分析提供一个较高精度的涡源模型。至于两者信息交换,则使用集中涡源法将CFD信息传递至VPM分析,而VPM计算得到的尾迹信息则通过边界修正施加至CFD域的远场边界上,从而可以鲁棒地实现CFD域与VPM域的耦合计算。在此基础上,对“Helishape 7A旋翼”小前进比前飞桨-涡干扰（BVI）状态进行了较为深入的气动分析,计算结果表明：与全CFD计算比较,建立的VPM/CFD耦合分析模型可以有效地避免旋翼尾迹区桨尖涡的数值耗散,从而更加可靠地捕捉桨-涡干扰状态下的桨叶非定常气动载荷脉动,同时对于本文算例,计算效率可以提高30%以上。     

防范秘密攻击的安全计算的博弈论实现

在博弈论中,惩罚博弈模拟了参与者试图欺骗但又不想被抓住,即安全计算中秘密攻击者的情形。针对密码学的计算博弈模型,本文对Halpern与Rafael提出的能否在计算具有成本的惩罚博弈与具有一定威慑度的防范秘密攻击的安全计算之间建立联系的问题给出肯定的回答,提出威慑度为1/2的防范秘密攻击的安全是计算博弈中错误可忽略的调解人的通用实现。     

火星大气环境模拟装置设计及仿真分析研究

对火星表面大气环境特性进行了研究,通过选取合适的计算方法并结合FLUENT流体有限元计算软件对火星表面稀薄气体内部环流进行了模拟仿真分析,提出了以动量源模拟风扇段内流的仿真方法,并进行了可行性讨论。进一步实现了针对圆柱形模拟装置多工况下的内部气体流场稳态和非稳态计算仿真,并对计算结果进行了分析讨论,为火星大气环境模拟装置的设计提供了技术支持和参考。     

严格随机正则(3,s)-SAT模型及其相变现象

研究变元和文字出现次数受限制的规则3-SAT问题,提出了一种严格随机正则（3,s）-SAT问题,并给出了该问题的实例产生模型--SRR模型。结合一阶矩方法和生成函数展开项系数的渐近近似技术,证明了严格随机正则（3,s）-SAT问题相变点的上界,即当变元规模N较大且变元出现次数s>11时,严格随机正则（3,s）-SAT实例是高概率不可满足的。实验结果表明：由SRR模型所生成的随机实例中,当N>60且s>11时,所有的（3,s）-SAT实例均是不可满足的,而当N>150且s<11时,所有的（3,s）-SAT实例均是可满足的,即严格随机正则（3,s）-SAT实例的相变点位于s=11处,且在s=11处（子句变元比为11/3）的严格随机正则（3,s）-SAT实例,比在相变点（子句变元比）4.267处同规模的均匀随机3-SAT实例更难求解,因此,SRR模型可以很方便地在s=11处构造难解的随机3-SAT实例。     

基于增广Burgers方程的音爆远场计算及应用

音爆的精确模拟对于超声速客机的低音爆研究与设计意义重大。由于计算能力的限制,客机巡航高度的音爆全场直接模拟目前还难以实现。现有的音爆预测方法一般分为两步,先通过超声速线化理论或计算流体力学的方法得到音爆近场的过压值（Over-pressure）分布,再通过声学理论将近场声压信号推进至远场,以获得飞行器的地面音爆信号。在远场计算中,传统的波形参数法没有考虑音爆传播过程中的经典吸收和分子驰豫效应所造成的声能损失,得到的激波没有厚度,导致计算得到的远场声压级不准确。基于算子分裂法,开展了非线性声学中的增广Burgers方程的数值解法研究。通过计算第二届音爆预测研讨会（SBPW-2）发布的两个标准算例,验证了该方法可以实现地面音爆波形的精确预测。发现在近场声压信号前加入一段无幅值的缓冲信号可以有效提升"N"波上升时间的模拟精度。网格收敛性研究表明适当加密计算网格是有必要的。在此基础上研究了大气声吸收对地面波形的影响,发现分子驰豫效应的影响要强于经典吸收。最后,研究了不同湿度、温度对地面音爆波形的影响,发现干燥、低温的环境对音爆信号的过压值有抑制作用。     

飞行器参数化几何建模方法研究

高超声速飞行器的概念设计阶段通常要综合考虑气动力、气动热、飞行弹道、推进系统、结构和控制等多个学科的设计因素,希望通过权衡各个学科得到一个综合性能最佳的设计,即多学科设计优化结果.参数化几何建模是优化设计的基础,本文开展飞行器参数化几何建模的方法研究,利用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的方法,分别进行了两种飞行器几何外形的建模,并进行了初步的气动力计算.通过分析两种建模方法的特点,比较了两种方法在不同情况下的优缺点,提出了在飞行器概念设计阶段几何建模方法的一般选取建议.通过等弧度、等弧长的划分原则,完善了基于类型函数和形状函数方法所生成的表面网格质量.     

直升机吊挂流场数值模拟与尾鳍设计分析

根据已知的直升机吊挂的几何尺寸,利用CAD软件建立了两种吊挂的三维模型.利用图像测绘的方法对第1种吊挂尾鳍进行了初步设计,通过计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法对带尾鳍的吊挂模型进行了计算与分析,气动力计算结果与理论计算结果吻合较好.此外,对第2种UH-60黑鹰直升机带尾鳍吊挂进行了CFD计算,考察了尾鳍对吊挂流场的影响.通过对两种带尾鳍的直升机吊挂情况的计算分析,证明了尾鳍对保证吊挂在飞行过程中的航向稳定性具有关键的作用,进而提出了一种基于无空气阻尼力假设的直升机吊挂尾鳍尺寸的设计方法,并对第2种吊挂状态下的尾鳍尺寸进行了计算设计.计算所得到的尾鳍面积对航向稳定性的影响结果与国外风洞实验结果保持一致.     

多级轴流压气机变几何扩稳优化与性能约束分析

为了提高多级轴流压气机在非设计条件下的稳定裕度,基于逐排基元叶片方法,应用恰当的损失和落后角模型,建立了预测多级轴流压气机特性工程方法,并将其与复合形优化方法相结合,给出了1种多级轴流压气机多静叶排调节扩稳算法,并应用于NACA 8级轴流压气机,取得了明显扩稳效果,数值计算进一步阐明了不同性能约束对变几何扩稳效果影响规律。结果表明:应用合理的性能约束进行优化,对提高多级轴流压气机非设计条件下稳定裕度有明显效果。