高超声速飞行器界面多相催化数值研究进展

随着未来临近空间高超声速飞行器高速度、长航时新需求的提出,飞行器高温流动与热防护系统相互作用凸显,引发极端力学、热学条件下气固界面多相催化等高温界面效应。回顾了高超声速飞行器中界面多相催化理论建模和数值研究历程,重点综述了界面多相催化的给定速率系数模型、含微细观特征的唯象模型、基于微观理论模拟的跨尺度模型的研究进展。总结了作者团队在飞行器界面多相催化效应建模、机理和应用相关方面的研究结果。结合未来飞行器减重、增程、保形的设计需求,进一步提出了国内后续研究的重点方向,以期支撑热防护系统轻量化、低冗余设计。     

电液主动控制挤压油膜阻尼器的理论分析

针对旋转机械采用传统的动压轴承构成的挤压油膜阻尼器存在的问题,提出了一种由压电晶体-电液主动控制的动静压混合轴承构成的电液挤压油膜阻尼器(HSFD).对于这种电液挤压油膜阻尼器, 经典的半油膜(π油膜)假设不再成立. 为了求解它的压力分布, 提出了一种适用于含有动静压混合作用时Reynolds方程的求解方法. 在此基础上, 对采用这种电液挤压油膜阻尼器的转子系统进行了理论分析, 从而为实现主动控制奠定了基础.      

比熵增概念及其在湍流模型中的应用

通过对不同马赫数下(Ma=0.7、2.25、6)平板边界层进行直接数值模拟研究,提出比熵增的概念.比熵增表征单位机械能的耗散,并且在数值上表现出较好的单调性和马赫数无关性,因而能够可靠地表征边界层的范围.应用比熵增概念修正BL零方程湍流模型长度尺度,构造BL-entropy,同时采用原始的BL模型,SA一方程模型对后台阶(Ma=0.128)以及高超声速锥柱裙组合体(Ma=7.05)流动进行数值模拟,并与实验数据进行比较,结果表明BL-entropy能够准确地获取长度尺度进而得到均匀合理的涡粘性分布,极大地提升了原始BL模型模拟复杂流动的能力.     

Review of shock wave detection method in CFD post-processing

In the present computational fluid dynamics (CFD) community, post-processing is regarded as a procedure to view parameter distribution, detect characteristic structure and reveal physical mechanism of fluid flow based on computational or experimental results. Field plots by contours, iso-surfaces, streamlines, vectors and others are traditional post-processing techniques. While the shock wave, as one important and critical flow structure in many aerodynamic problems, can hardly be detected or distinguished in a direct way using these traditional methods, due to possible confusions with other similar discontinuous flow structures like slip line, contact discontinuity, etc. Therefore, method for automatic detection of shock wave in post-processing is of great importance for both academic research and engineering applications. In this paper, the current status of methodologies developed for shock wave detection and implementations in post-processing platform are reviewed, as well as discussions on advantages and limitations of the existing methods and proposals for further studies of shock wave detection method. We also develop an advanced post-processing software, with improved shock detection.     

蜂蝇快速起飞过程的实验观测及力学分析

通过实验观测蜂蝇的快速起飞过程,并计算分析其中的力学过程。利用三维高速图像测量技术观测了整个过程中身体及翅膀的运动学参数,并且扫描记录了昆虫的形态学数据。采用所测得数据处理得到起飞过程中的惯性力和力矩,利用计算流体力学(CFD)方法计算翅膀拍动产生的气动力,由力学平衡得到腿部作用力。在快速起飞时经过2次完整拍动其拍动幅角增大到最大值,经过4次完整拍动之后拍动频率变为恒定,并且昆虫完全升入空中。离地之前主要由腿部作用力支撑体重及产生向上的加速度,同时在水平和俯仰转动方向消除气动力产生的不利影响,直到离地时腿部作用力变为零。表明蜂蝇具备通过增加腿部用力来达到快速起飞从而躲避天敌的能力,相比自主起飞缩短了起飞时间,也为人造微小型飞行器(MAV)的不同起飞模式的设计提供了思路。     

一种基于聚类分析的二维激波模式识别算法

在激波捕捉求解器计算的可压缩无黏流场基础上,提出了一种探测并识别二维激波干扰模式的新算法,从3个层面详细介绍了该算法的实施流程。首先,采用基于当地流场参数设计的传统激波探测方法,辨识出激波附近的一系列网格单元;其次,通过经典的K-means聚类算法将这些激波单元划分成许多簇,并根据簇的相邻信息定义每个簇的类别;最后,设定相关准则对某些紧邻的簇进行合并,进而确定各个激波干扰点的位置,记录各条激波分支所对应的簇,采用Bézier曲线拟合算法分别对其聚类中心进行拟合以获取更加光滑的激波线。数值试验表明,该算法不受网格类型的限制,不仅可以保证最终拟合的激波线具有较高的位置精度,还可以清晰地识别出流场中多激波干扰的模式,同时对分析非定常流场中激波的运动与演化过程也提供了一种有效的可视化手段。     

描述颗粒沉积动力学演变过程的一种随机算法

为了解决普通Monte Carlo算法计算精度和计算代价无法协调的矛盾,发展了一种新的多重Monte Carlo(MMC)算法求解考虑多分散性颗粒沉积的通用动力学方程,该算法引入加权虚拟颗粒的概念,基于时间驱动MonteCarlo技术,模拟过程中保持虚拟颗粒数目和计算区域体积不变。首先详细介绍了考虑颗粒沉积的MMC算法,包括时间步长的设置、颗粒是否沉积的判断、沉积后果的处理等。然后选定三个存在理论分析解的特殊工况对MMC算法进行验证,数值模拟结果与相应的理论分析解符合很好,表明该算法具有较高的计算精度,同时该算法计算代价很小。     

航天器虚拟动态试验技术研究及展望

文章简要回顾了航天器结构动态设计技术的发展,并且指出随着现代航天器越来越复杂,数值分析方法与动态试验方法都无法满足设计的要求。为了解决这个问题,必须采用虚拟动态试验技术。文中较详细地介绍了复杂结构模型修改新技术、虚拟模态试验技术和振动台虚拟振动试验技术。文章最后还对该领域未来研究方向进行了展望。     

空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究

重点研究了在空间机器人柔性臂的动力学非线性控制问题,由于柔性臂动力学系统的强非线性和耦合性,使得柔性臂控制系统复杂,控制的实时性和稳定性差,本文针对以往柔性臂控制所存在的问题,综合考虑系统的动态和静态特性,提出了一种带有非线性补偿器及ＰＩＤ控制器的柔性臂模糊复合控制方案,然后,根据所推导了一两连杆的空间机器人柔性臂的这非线性模型,进行了系统控制的仿真研究,实例仿真的结果表明,该控制方案能有效地抑制     

Recent experience with different methods of drag prediction

During the recent past the process of engineering design has changed entirely because of rapid developments in computational simulations. In aerodynamic design, computational fluid dynamics (CFD) methods are slowly superseding empirical methods and design engineers are spending more and more time applying CFD tools to analyze and predict the aerodynamic characteristics of vehicles. The purpose of this paper is to review recent experiences in CFD-based drag prediction with an emphasis on flow solutions governed by the Euler and Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. For these types of flow solutions, various drag analysis methodologies are outlined and applied to determine the drag of components of as well as whole-body airplanes, helicopters, and ground-based vehicles at subsonic and transonic flow conditions. The review demonstrates that although significant progress has been made, CFD-based drag prediction still faces a number of hurdles that must be dealt with before it will become more widely accepted.