A Scalable Infrastructure for Online Performance Analysis on CFD Application

The fast-growing demand of computational fluid dynamics(CFD) application for computing resources stimulates the development of high performance computing(HPC) and meanwhile raises new requirements for the technology of parallel application performance monitor and analysis.In response to large-scale and long-time running for the application of CFD,online and scalable performance analysis technology is required to optimize the parallel programs as well as to improve their operational efficiency.As a result,this research implements a scalable infrastructure for online performance analysis on CFD application with homogeneous or heterogeneous system.The infrastructure is part of the parallel application performance monitor and analysis system(PAPMAS) and is composed of two modules which are scalable data transmission module and data storage module.The paper analyzes and elaborates this infrastructure in detail with respect to its design and implementation.Furthermore,some experiments are carried out to verify the rationality and high efficiency of this infrastructure that could be adopted to meet the practical needs.     

低声爆静音锥设计方法研究

 声爆精确预测及低声爆设计方法已成为新一代军民用超声速飞机研制过程中必须解决的关键难题之一。基于计算流体力学(CFD)、波形参数法以及MARK-VII方法构建了高精度声爆预测方法,利用该方法对低声爆静音锥的设计展开研究。研究结果表明,静音锥的设计存在临界长度,静音锥长度小于临界长度时,静音锥产生的激波在传播过程中与机头弓形激波合并,静音锥无法起到降低声爆的作用;静音锥长度大于临界长度时,声爆水平也会略有上升。静音锥临界长度随飞行高度和飞行马赫数的变化而变化,可以根据实际飞行状态采用可伸缩设计,达到最佳的低声爆效果。多级静音锥利用多道弱激波取代机头强弓形激波,其声爆水平较单级静音锥也更低,同样,多级静音锥每一级的长度也要达到临界长度。不同静音锥头部形状产生的脱体激波形状不同,脱体距离也不同,导致阻力系数以及静音锥壁面温度有所不同,但静音锥头部形状对远场声爆信号的影响并不明显。采用静音锥的低声爆方案与原始方案比较,声爆水平得到大幅降低,阻力系数略有上升。     

高超声速飞行器飞行动力学特性不确定分析

 高超声速飞行器分析模型存在较大不确定性,其给出的动力学特性与真实值之间存在偏差,因此研究飞行动力学特性分析结果的可信度水平对控制系统设计具有重要意义。针对典型的乘波体构型高超声速飞行器,在建立气动/结构/推进相互耦合的动力学模型基础上,利用非概率区间来描述模型中的不确定参数,并将复特征根不确定范围求解问题转化为频率和阻尼比两个实数的不确定区间分别求解,给出了动力学模态特征根、频率及阻尼比的不确定边界。分别采用直接蒙特卡罗(DMC)模拟方法、基于泰勒展开的区间分析方法(TIAM)和基于多项式逼近的区间分析方法(CIAM)对高超声速飞行器飞行动力学不确定性进行了研究。结果表明:CIAM计算时间适中,且给出的边界更为准确、安全,适合在控制系统设计和验证过程中使用。     

几何非线性机翼本征梁元素模型的高效化改进

 采用Hodges等提出的时间-空间离散化的几何精确非线性本征梁通用模型处理柔性机翼结构动力学问题时,当离散化的节点数增大时,该方法的未知数数量成倍地增长,而且方程组是严重病态的,因此数值模拟计算的速度非常缓慢。针对机翼中最常见的悬臂梁结构,根据空间离散化的边界条件,提出了空间缩聚法把空间离散差分方程缩聚为常系数矩阵格式,得到了只与时间相关的微分方程组,进一步推导得到了该方程组的雅可比矩阵,因而大大减少了方程组的数量以及求解过程的循环和迭代步数。采用Gear方法分别求解了原始的本征梁元素模型和本文提出的缩聚模型,结果表明空间缩聚模型在相同条件下可提高运算速度约5.1倍,而且对不同类型的外载荷都具有较好的通用性、稳定性和高效性。     

弹性飞行器飞行动力学建模研究

随着飞行器结构模态频率与刚性模态频率愈加接近,弹性效应对弹性飞行器飞行动力学特性的影响变得愈加明显,特别是操稳特性将变得更加的复杂和严峻,已经不能用“刚性飞行器”的分析方法进行研究,因此迫切需要为弹性飞行器建立能够包含多学科耦合的飞行动力学模型.本文对弹性飞行器飞行动力学建模的相关研究进行了总结与发展:首先简要阐述了建立多学科耦合弹性飞行器飞行动力学模型的必要性;然后对传统的弹性飞行器飞行动力学模型进行了研究,分析总结了这些方法的优缺点;最后在此基础上提出了一种新的体轴系(瞬态坐标系),并利用拉格朗日方程和有限元思想推导了该坐标系下的动力学模型,该模型克服了传统模型的缺点,并准确自然地耦合了结构动力学、飞行动力学、空气动力学与控制等学科,较现有的模型而言,该模型能更充分更全面的描述弹性飞行器飞行过程中流场、结构、控制和飞行力学之间的交叉耦合特性.本文的研究成果可为弹性飞行器的动态特性分析提供必要的理论基础.     

剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究

建立了一个基于计算流体力学(CFD) /FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的预测剪刀式尾桨悬停状态气动性能和噪声特性的分析方法.该方法首先采用CFD方法对尾桨流场进行求解,并应用嵌套网格技术对流场空间进行离散.控制方程采用非惯性坐标系下的Navier-Stokes方程,空间方向采用二阶迎风格式(Roe格式)进行求解,时间方向采用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式进行推进.在此基础上,采用FW-H方程将尾桨噪声声压扰动传播至远场,以获得尾桨的噪声特性.应用该方法对两种剪刀式尾桨构型(“L”构型和“U”构型)进行了计算研究,对比分析了剪刀式尾桨在气动力和噪声方面与常规尾桨的差别,以及两个重要构型参数(剪刀角和轴向间距)对剪刀式尾桨气动力和噪声的影响规律.计算结果表明,构型参数对剪刀式尾桨气动力和噪声特性影响很大,合理地选择构型参数可以降低尾桨噪声水平.     

基于NURBS曲线的涡控蛇形进气道设计

利用NURBS(non-uniform rational B-spline)曲线成功实现了涡控蛇形进气道参数化描述,并运用数值仿真方法对其中两个关键设计参数进行参数化研究.仿真结果表明:①第二S弯上壁面两侧后掠状凸起型面诱导的受控旋涡能够将低能流牵引至出口两侧,从而抑制大范围的气流分离,但凸起角取值需权衡选取,否则将不利于涡控蛇形进气道综合性能的改善.②通过抬高第二S弯下壁面能够减缓上壁面沿程逆压力梯度,进而影响第二S弯上壁面的流态,恰当的取值能够以微小的总压损失换取大幅度的畸变改善.③当设计参数选取恰当时,涡控蛇形进气道在设计状态下总压恢复系数为0.9667,畸变指数为0.2451.进气道性能较传统方案有显著改善,使得蛇形进气道迈向工程实用成为可能.      

弱引力下小行星动量驱动机器人的可控跳跃行为

以小行星表面着陆探测为背景,提出一种动量驱动机器人(MoRo)以满足弱引力复杂环境下的探测需求.该机器人利用弱引力环境下的摩擦和碰撞特性,通过主动辨识环境参数,规划和控制动量轮以产生期望的驱动力矩,完成可控性跳跃及腾空后的稳定拍照等任务.首先,基于MoRo的动量轮刹车机构特性,分析了MoRo在弱引力环境下的跳跃机理并对...     

高超声速平头圆柱绕流化学反应流场的DSMC/EPSM混合算法研究

本文发展了平衡粒子模拟方法(EPSM)，建立了与高温气体化学反应动力学理论相匹配的EPSM耦合模型，并通过混合参数进行流区的自动识别，将EPSM方法与蒙特卡罗直接模拟方法(DSMC)结合，构造了可模拟化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法。应用该算法对汲及化学反应的轴对称情况下高超声速平头圆柱绕流流场进行模拟，将结果与DSMC方法的结果进行比较，验证了新算法对求解化学反应流动的可行性。将混合算法的计算效率与DSMC方法的计算效率进行比较，发现混合算法能够大大提高计算效率。     

基于全欧拉方程的二维平行剪切层声波产生和辐射的数值模拟

本文基于全欧拉方程对二维平行剪切层声波的产生和辐射进行了计算气动声学数值模拟。空间离散采用了频散相关保持有限差分格式,时间积分采用了低频散低耗散的龙格库塔法。数值模拟结果表明,当声源强度较小时,基于全欧拉方程的计算结果与解析解及基于线化欧拉方程的计算结果均符合得很好,当声源强度较大时(约140dB),线化欧拉与全欧拉的计算结果有较大的偏差,这说明此时非线性的影响不可忽略,线化方程不再适用。