运动激波对氦气泡变形过程影响的仿真研究

使用水平集方法(Level Set Method)研究超声速气流中氦气泡的变形问题。通过比较全局重构和局部重构两种方法重新初始化符号距离函数(SDF)的效果,发现局部重构更省时,所得结果与实验结果更吻合,而全局重构存在控制误差的优化问题。在此基础上分析了激波强度和角度对气泡变形过程的影响,发现激波强度越大,气泡在相同的位移条件下变形得越明显,并且在相同激波强度下,斜激波对气泡界面变形的作用效果更为明显。     

特征无反射边界条件应用于二维圆柱绕流模拟

采用特征无反射边界条件和吸收层技术相结合的边界处理方法,研究了二维圆柱绕流模拟的边界反射问题。近年来在计算气动声学中提出了将大涡模拟和声学传播方程结合的混合方法求解声场,基于计算量的考虑,须在较小的计算区域内进行大涡模拟,这就需要在计算区域较小时,边界的反射尽可能小。作为大涡模拟研究的技术储备,将该方法应用于二维圆柱绕流的模拟中。数值结果表明这种方法在计算区域较小时,能起到很好的无反射效果,计算结果与前人在计算区域取得很大时的结果比较吻合。     

基于ANCF的松弛绳索动力学建模与仿真

传统绝对节点坐标方法(ANCF)绳索模型是基于梁单元建立的,其不能反映纤维绳索的不可抗压和松弛特性。考虑纤维绳索初始松弛余量,给出了绳索非线性轴向应力-应变关系。绳索在松弛状态下轴向力接近于零,在张紧状态下表现出线弹性特性。在此基础上,采用绝对节点坐标方法推导了松弛绳索动力学模型。通过静力学和动力学仿真,将传统绳索模型和松弛绳索模型进行对比,结果表明:在重力及不同集中载荷作用下,松弛绳索相比于传统绳索都具有更大的变形;分析移除集中载荷后绳索的动力学响应可知,传统绳索在振动过程中始终处于张紧状态,且绳索上各点振动同步,而松弛绳索会在张紧和松弛状态之间不断转换,绳索上各点的振动存在相位差,能够更好地反映绳索在松弛状态下的动力学特性。     

新型三阶TVD限制器性能分析

在计算流体力学(CFD)方法中,限制技术是影响计算精度和计算稳定性的重要因素,目前应用较广的经典二阶总变差衰减(TVD)限制器虽能较好地满足计算要求,但性能差异大且分辨率和耗散的性能间并未得到良好权衡。对一种新型的三阶TVD插值限制器(T-3限制器)进行了研究并将其与3种经典限制器进行对比。首先通过一维黎曼问题,得出T-3限制器兼顾较高间断分辨率和良好稳定性的特点;接着通过高超声速双锥绕流和X-33外形飞行器的数值实验,得到T-3限制器具有刻画复杂流动的能力以及较优的气动热计算性能。     

终端区飞行程序与军航起落航线安全风险分析

为了对终端区内民航进离场程序与军航机场起落航线间的安全风险进行分析,提出了一种基于计算几何的两阶段三维分析方法。首先对终端区空域进行建模,并利用军航机场起落航线保护区确定军航机场活动范围。在此基础上,第一阶段利用计算几何方法分析军航机场活动区与进离场航线间在二维上是否存在安全风险;第二阶段利用Route距离分析在二维上存在安全风险的程序段与军航机场活动区的垂直安全间隔。以国内某终端区为例进行了实例分析,证明方法能科学高效地对进离场程序与军航机场起落航线间安全风险进行三维空间分析。     

Control of a Spherical Robot: Path Following Based on Nonholonomic Kinematics and Dynamics

This paper presents the controller design for the path following of a spherical mobile robot,BHQ-1.Firstly,a desired velocity for the reference path is deduced from the kinematic model,which cannot be transformed into the classic chained form.Secondly,a necessary torque for the desired velocity is obtained based on the dynamic model.As to the kinematics,a one-dimensional function is selected to measure the two-directional tracking error,and the velocity of rolling forward is reasonably assumed to be constant;therefore the multiple-input multiple-output (MIMO) system is transformed into a single-input single-output (SISO) system.As to the dynamics,both exact dynamics and inexact dynamics with modeling error as well as bounded unknown disturbance are taken into account,based on which a proportional-derivative (PD) controller and a sliding mode controller with adaptive parameters are proposed respectively.Finally,convergence analysis and simulation results are provided to validate these controllers.     

Performance optimization of grooved slippers for aero hydraulic pumps

A computational fluid dynamics(CFD) simulation method based on 3-D Navier–Stokes equation and Arbitrary Lagrangian–Eulerian(ALE) method is presented to analyze the grooved slipper performance of piston pump.The moving domain of grooved slipper is transformed into a fixed reference domain by the ALE method,which makes it convenient to take the effects of rotate speed,body force,temperature,and oil viscosity into account.A geometric model to express the complex structure,which covers the orifice of piston and slipper,vented groove and the oil film,is constructed.Corresponding to different oil film thicknesses calculated in light of hydrostatic equilibrium theory and boundary conditions,a set of simulations is conducted in COMSOL to analyze the pump characteristics and effects of geometry(groove width and radius,orifice size) on these characteristics.Furthermore,the mechanics and hydraulics analyses are employed to validate the CFD model,and there is an excellent agreement between simulation and analytical results.The simulation results show that the sealing land radius,orifice size and groove width all dramatically affect the slipper behavior,and an optimum tradeoff among these factors is conducive to optimizing the pump design.     

假设检验与CFD不确定度量化分析

针对CFD验证与确认中不确定度量化研究,提出了假设检验量化技术,采用了Grubs数据处理技术并具有好的鲁棒性,应用了假设检验原理分析了计算结果,可对CFD计算具指导作用,数值例子也说明了这一点。     

面向流场计算的专用超级计算机体系结构研究

 本文在对流体力学等一类大型计算问题的并行计算模型进行分析的基础上,提出了一种可以实现大规模并行处理的专用超级计算机体系结构方案。该系统由一台宿主机和一个多计算机阵列组成一台个人超级计算机。利用专用性,减小复杂性,提高并行性是系统的主要特色。系统采用二维超环结构作为计算机结点之间的互连结构,反映了计算中数据交换的局部性特点,具有好的通信性能。每个计算机结点本身又采用流水线向量处理结构,从而将高层次的多机并行与低层次的向量处理相结合,实现了大规模的并行计算。本文讨论了系统的软、硬件结构并研究和评价了通信性能。     

微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

 用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。由N S方程的数值解提供速度场和压力场,从而得到涡量、气动力和力矩 (惯性力矩用解析方法计算 )。基于流场结构,解释了非定常气动力产生的原因;基于气动力和力矩,得到需用功率。悬停飞行中揭示出的 3个非定常高升力机制 (不失速机制,拍动初期的快速加速运动,拍动后期的快速上仰运动 )在前飞时仍然适用 (即使在快速前飞时,V∞ =2～ 2.5m/s,失速涡也不脱落 )。在低速飞行时 (V∞ ≈ 0.5m/s)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动,并主要由翅膀的升力贡献;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动,由翅膀的阻力贡献。在中等速度下 (V∞ ≈ 1.0m/s),升力主要来自于下拍运动,其中一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献;推力主要来自上挥运动,也是一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献。在快速飞行时 (V∞ ≈ 2.0m/s),升力主要来自于下拍运动,主要由翅膀阻力贡献;推力来自上挥运动,主要由翅膀升力贡献。悬停时,下拍和上挥做功同样大;前飞时,下拍做功较上挥大得多 :V∞ =0.5,1.0和 2.0m/s时,下拍做的功分别是上挥的 1.6,2.6和 3.5倍。